JP5619622B2 - Porous electrodes and related methods - Google Patents

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Description

(技術分野)
本発明は、一般に、電極、電気化学的セル、および関連方法に関する。
(Technical field)
The present invention generally relates to electrodes, electrochemical cells, and related methods.

(発明の背景)
代表的な電気化学的セルは、カソードおよびアノードを有し、これらは、上記セルの作動の間に電気化学的反応に関与する。上記電極は、電気活性物質を含み得、上記物質は、1個以上のセル構成要素と相互作用して、電極の間のイオンの伝導を促進し得る。
(Background of the Invention)
A typical electrochemical cell has a cathode and an anode, which participate in electrochemical reactions during operation of the cell. The electrode can include an electroactive material, which can interact with one or more cell components to facilitate conduction of ions between the electrodes.

いくつかの電極は、しばしば、結合材物質の存在下で、伝導性基材(多孔性伝導性基材を含む)を電気活性物質でコーティングすることによって形成されて、上記電気活性物質の、上記電極への接着および密着を増強し得る。しかし、結合材物質を使用して電極を製造するための現在の方法は、一般に、完成した電極において顕著な機械的問題を発生させずに電気活性物質の高負荷(loading)を達成し得ない。例えば、上記伝導性基材は、電気活性物質および不溶性結合材物質を含むスラリーを使用してコーティングされ得る。上記不溶性結合材物質は、代表的には、迅速なスラリー凝固を引き起こし、上記電極において達成される電気活性物質負荷の量を制限し得る。代わりに、可溶性結合材溶液は、上記スラリーを安定化し得、上記コーティングプロセスを容易にし得る。しかし、上記得られた電極構造の一部は、しばしば、その沈着した物質によってブロックされ、上記セルの作動の間に、電気活性種へ接近しにくくし得る。このことは、電気容量率(rate capability)および電気活性物質利用が低下したセルを生じ得る。   Some electrodes are often formed by coating a conductive substrate (including a porous conductive substrate) with an electroactive material in the presence of a binder material, of the electroactive material above. Adhesion and adhesion to the electrode can be enhanced. However, current methods for manufacturing electrodes using binder materials generally cannot achieve high loading of electroactive materials without causing significant mechanical problems in the finished electrode. . For example, the conductive substrate can be coated using a slurry comprising an electroactive material and an insoluble binder material. The insoluble binder material can typically cause rapid slurry solidification and limit the amount of electroactive material loading achieved at the electrode. Instead, the soluble binder solution can stabilize the slurry and facilitate the coating process. However, some of the resulting electrode structures are often blocked by the deposited material, making it less accessible to electroactive species during operation of the cell. This can result in a cell with reduced rate capability and electroactive substance utilization.

従って、改善された方法が必要である。   Therefore, an improved method is needed.

(発明の要旨)
本発明は、電極を形成するための方法を提供し、上記方法は、多孔性物質の第1の部分の上に充填材物質を形成する工程であって、ここで上記多孔性物質は、炭素を含む、工程;上記多孔性物質の少なくとも第2の部分の上に電極物質を形成する工程であって、ここで上記電極物質は、活性電極種および結合材物質を含む、工程;ならびに上記充填材物質のうちの少なくともいくらかを、上記多孔性物質から除去し、それによって、上記電極を形成する工程を包含する。
(Summary of the Invention)
The present invention provides a method for forming an electrode, the method comprising forming a filler material over a first portion of a porous material, wherein the porous material is carbon. Forming an electrode material on at least a second portion of the porous material, wherein the electrode material comprises an active electrode species and a binder material; and the filling Removing at least some of the material material from the porous material, thereby forming the electrode.

本発明はまた、電極を形成するための方法を提供し、上記方法は、炭素を含む多孔性物質と、充填材物質を含む充填材溶液とを、上記充填材物質が上記多孔性物質の第1の部分の上にコーティングを形成するように接触させ、第1のコーティングされた多孔性物質を生成する工程;上記第1のコーティングされた多孔性物質と、活性電極種および結合材物質を含む電極物質とを、上記電極物質が上記多孔性物質の少なくとも第2の部分の上でコーティングを形成するように接触させ、第2のコーティングされた多孔性物質を生成する工程;ならびに上記充填材物質のうちの少なくともいくらかを、上記第2のコーティングされた多孔性物質から除去して、それによって、上記電極を形成する工程を包含する。   The present invention also provides a method for forming an electrode, the method comprising: a porous material comprising carbon; a filler solution comprising a filler material; wherein the filler material is a first of the porous material. Contacting the first portion to form a coating to produce a first coated porous material; comprising the first coated porous material and an active electrode species and binder material; Contacting the electrode material with the electrode material such that the electrode material forms a coating on at least a second portion of the porous material to produce a second coated porous material; and the filler material Removing at least some of the second coated porous material, thereby forming the electrode.

本発明はまた、電極を形成するための方法を提供し、炭素を含む多孔性物質と、活性電極種、流体キャリア、および上記多孔性物質に対して少なくとも5重量%の結合材物質を含む電極組成物とを、上記電極組成物が上記多孔性物質の少なくとも一部の上にコーティングを形成するように接触させ、コーティングされた多孔性物質を生成する工程;ならびに上記流体キャリアのうちの少なくともいくらかを、上記コーティングされた多孔性物質から除去し、それによって、上記電極を形成する工程を包含し、ここで上記電極は、少なくとも1.6mg/cmの活性電極種負荷および少なくとも50%の多孔性を含む。 The present invention also provides a method for forming an electrode comprising a porous material comprising carbon, an active electrode species, a fluid carrier, and an electrode material comprising at least 5% by weight of the binder material relative to the porous material. Contacting the electrode composition such that the electrode composition forms a coating on at least a portion of the porous material to produce a coated porous material; and at least some of the fluid carrier; From the coated porous material, thereby forming the electrode, wherein the electrode has an active electrode species loading of at least 1.6 mg / cm 2 and a porosity of at least 50%. Including sex.

本発明はまた、カソード;アノード;および上記カソードと上記アノードとの電気化学的連絡状態にある電解質;を含む電気化学的セルに関し、上記カソードは、活性電極種、炭素を含む多孔性物質、および結合材物質を含み、ここで上記結合材物質は、上記活性電極種および上記多孔性物質が評価できる程度に可溶性ではない流体キャリア中において、少なくとも部分的に可溶性であり、ここで上記電気化学的セルは、上記活性物質の理論的電気容量のうちの少なくとも60%の活性物質電気容量を有する。   The present invention also relates to an electrochemical cell comprising: a cathode; an anode; and an electrolyte in electrochemical communication between the cathode and the anode, the cathode comprising an active electrode species, a porous material comprising carbon, and A binder material, wherein the binder material is at least partially soluble in a fluid carrier that is not so soluble that the active electrode species and the porous material are appreciable, wherein the electrochemical material The cell has an active material capacitance of at least 60% of the theoretical capacitance of the active material.

本発明はまた、電極を形成するための方法を提供し、上記方法は、炭素ベースの導電性物質(electrically−conductive material)および活性電極種を含む、電気化学的に活性な電極前駆物質を形成する工程;ならびに上記電極前駆物質から本質的に均一に物質を除去して、上記電極を形成する工程であって、それによって、上記炭素ベースの導電性物質、上記活性電極種、もしくはその両方の表面積を増大させ、上記表面積は、上記電極を使用する間に、電解質に露出可能である、工程、を包含する。
本発明は、例えば以下の項目を提供する。
(項目1)
電極を形成するための方法であって、該方法は、
多孔性物質の第1の部分の上に充填材物質を形成する工程であって、ここで該多孔性物質は、炭素を含む、工程;
該多孔性物質の少なくとも第2の部分の上に電極物質を形成する工程であって、ここで該電極物質は、活性電極種および結合材物質を含む、工程;ならびに
該充填材物質を、該多孔性物質から除去し、それによって、該電極を形成する工程、
を包含する、方法。
(項目2)
前記結合材物質および前記活性電極種は、該結合材物質、該活性電極種、および流体キャリアを含む混合物からの前記多孔性物質に適用され、該結合材物質は、該流体キャリア中に少なくとも部分的に可溶性である、項目1に記載の方法。
(項目3)
前記充填材物質は、親水性物質であり、前記結合材物質は、疎水性溶媒に可溶性である、項目1に記載の方法。
(項目4)
前記充填材物質は、疎水性物質であり、前記結合材物質は、親水性溶媒に可溶性である、項目1に記載の方法。
(項目5)
前記結合材物質は、該結合材物質が実質的に可溶性である溶媒中に提供される、項目1に記載の方法。
(項目6)
前記除去する工程は、前記多孔性物質を加熱する工程を包含する、項目1に記載の方法。
(項目7)
前記充填材物質を形成する前に、前記多孔性物質の少なくとも一部を処理する工程をさらに包含する、項目1に記載の方法。
(項目8)
前記処理する工程は、前記多孔性物質の少なくとも一部の上にポリマー物質を形成する工程をさらに包含する、項目7に記載の方法。
(項目9)
前記ポリマー物質は、ポリ(エチレングリコール)コーティングである、項目8に記載の方法。
(項目10)
前記充填材物質は固体である、項目1に記載の方法。
(項目11)
前記充填材物質は、液体である、項目1に記載の方法。
(項目12)
前記充填材物質は、オクタン、炭酸アンモニウム、もしくは炭酸水素アンモニウムである、項目1に記載の方法。
(項目13)
前記結合材物質は、ポリマー物質である、項目1に記載の方法。
(項目14)
前記結合材物質は、ポリ(エチレン−co−プロピレン−co−5−メチレン−2−ノルボルネン)(EPMN)である、項目1に記載の方法。
(項目15)
前記活性電極種は、硫黄である、項目1に記載の方法。
(項目16)
前記電極は、少なくとも1.5mg/cm の硫黄負荷を有する、項目15に記載の方法。
(項目17)
前記電極は、少なくとも2.5mg/cm の硫黄負荷を有する、項目15に記載の方法。
(項目18)
前記電極は、少なくとも5.0mg/cm の硫黄負荷を有する、項目15に記載の方法。
(項目19)
電極を形成するための方法であって、該方法は、
炭素を含む多孔性物質と、充填材物質を含む充填材溶液とを、該充填材物質が該多孔性物質の第1の部分の上にコーティングを形成するように接触させ、第1のコーティングされた多孔性物質を生成する工程;
該第1のコーティングされた多孔性物質と、活性電極種および結合材物質を含む電極物質とを、該電極物質が、該多孔性物質の少なくとも第2の部分の上にコーティングを形成するように接触させ、第2のコーティングされた多孔性物質を生成する工程;ならびに
該充填材物質の少なくともいくらかを、該第2のコーティングされた多孔性物質から除去し、それによって、該電極を形成する工程、
を包含する、方法。
(項目20)
電極を形成するための方法であって、該方法は、
炭素を含む多孔性物質と、活性電極種、流体キャリア、および該多孔性物質に対して少なくとも5重量%の結合材物質を含む電極組成物とを、該電極組成物が該多孔性物質の少なくとも一部上にコーティングを形成するように接触させ、コーティングされた多孔性物質を生成する工程;ならびに
該流体キャリアの少なくともいくらかを、該コーティングされた多孔性物質から除去し、それによって、該電極を形成する工程であって、ここで該電極は、少なくとも1.6mg/cm の活性電極種負荷、および少なくとも50%の多孔性を含む、工程
を包含する、方法。
(項目21)
前記電極組成物は、前記多孔性物質に対して、少なくとも10重量%の前記結合材物質を含む、項目20に記載の方法。
(項目22)
前記電極組成物は、前記多孔性物質に対して、少なくとも15重量%の前記結合材物質を含む、項目20に記載の方法。
(項目23)
前記電極組成物は、前記多孔性物質に対して、少なくとも20重量%の前記結合材物質を含む、項目20に記載の方法。
(項目24)
前記電極組成物は、前記多孔性物質に対して、少なくとも25重量%の前記結合材物質を含む、項目20に記載の方法。
(項目25)
前記電極組成物は、前記多孔性物質に対して、少なくとも30重量%の前記結合材物質を含む、項目20に記載の方法。
(項目26)
前記流体キャリアは、疎水性である、項目20に記載の方法。
(項目27)
前記流体キャリアは、親水性である、項目20に記載の方法。
(項目28)
前記流体キャリアは、水である、項目20に記載の方法。
(項目29)
前記結合材物質は、ポリマー物質である、項目20に記載の方法。
(項目30)
前記結合材物質は、ポリ(エチレン−co−プロピレン−co−5−メチレン−2−ノルボルネン)(EPMN)である、項目20に記載の方法。
(項目31)
前記活性電極種は、硫黄である、項目20に記載の方法。
(項目32)
前記電極は、少なくとも1.5mg/cm の硫黄負荷を有する、項目20に記載の方法。
(項目33)
前記電極は、少なくとも2.5mg/cm の硫黄負荷を有する、項目20に記載の方法。
(項目34)
前記電極は、少なくとも5.0mg/cm の硫黄負荷を有する、項目20に記載の方法。
(項目35)
電気化学的セルであって、
活性電極種と、炭素を含む多孔性物質と、結合材物質とを含むカソードであって、ここで該結合材物質は、該活性電極種および該多孔性物質が、評価できるほど可溶性ではない流体キャリア中において、少なくとも部分的に可溶性である、カソード;
アノード;および
該カソードおよび該アノードと電気化学的連絡状態にある電解質
を含み、
ここで該電気化学的セルは、該活性物質の理論的電気容量のうちの少なくとも60%の活性物質電気容量を有する、電気化学的セル。
(項目36)
前記電気化学的セルは、前記活性物質の理論的電気容量のうちの少なくとも70%の活性物質電気容量を有する、項目35に記載の電気化学的セル。
(項目37)
前記電気化学的セルは、前記活性物質の理論的電気容量のうちの少なくとも80%の活性物質電気容量を有する、項目35に記載の電気化学的セル。
(項目38)
前記電気化学的セルは、前記活性物質の理論的電気容量のうちの少なくとも90%の活性物質電気容量を有する、項目35に記載の電気化学的セル。
(項目39)
前記活性電極種は、硫黄である、項目35に記載の電気化学的セル。
(項目40)
前記電極は、少なくとも1.5mg/cm の硫黄負荷を有する、項目39に記載の電気化学的セル。
(項目41)
前記電極は、少なくとも2.5mg/cm の硫黄負荷を有する、項目39に記載の電気化学的セル。
(項目42)
前記電極は、少なくとも5.0mg/cm の硫黄負荷を有する、項目39に記載の電気化学的セル。
(項目43)
電極を形成するための方法であって、該方法は、
炭素ベースの導電性物質および活性電極種を含む、電気化学的に活性な電極前駆物質を形成する工程;ならびに
該電極前駆物質から本質的に均一に物質を除去して、該電極を形成する工程であって、それによって、該炭素ベースの導電性物質、該活性電極種、もしくはその両方の表面積を増大させ、該表面積は、該電極を使用する間に、電解質に露出可能である、工程
を包含する、方法。
(項目44)
前記電極は、前記活性物質理論的電気容量のうちの少なくとも60%である相対的活性物質電気容量を有する、項目43に記載の方法。
The present invention also provides a method for forming an electrode, the method forming an electrochemically active electrode precursor comprising a carbon-based electrically conductive material and an active electrode species. And essentially uniformly removing material from the electrode precursor to form the electrode, whereby the carbon-based conductive material, the active electrode species, or both Increasing the surface area, wherein the surface area can be exposed to an electrolyte during use of the electrode.
For example, the present invention provides the following items.
(Item 1)
A method for forming an electrode comprising:
Forming a filler material on the first portion of the porous material, wherein the porous material comprises carbon;
Forming an electrode material on at least a second portion of the porous material, wherein the electrode material comprises an active electrode species and a binder material; and
Removing the filler material from the porous material, thereby forming the electrode;
Including the method.
(Item 2)
The binder material and the active electrode species are applied to the porous material from a mixture comprising the binder material, the active electrode species, and a fluid carrier, wherein the binder material is at least partially in the fluid carrier. Item 2. The method according to Item 1, wherein the method is soluble.
(Item 3)
Item 2. The method of item 1, wherein the filler material is a hydrophilic material and the binder material is soluble in a hydrophobic solvent.
(Item 4)
Item 2. The method of item 1, wherein the filler material is a hydrophobic material and the binder material is soluble in a hydrophilic solvent.
(Item 5)
The method of claim 1, wherein the binder material is provided in a solvent in which the binder material is substantially soluble.
(Item 6)
The method according to item 1, wherein the removing step includes a step of heating the porous substance.
(Item 7)
The method of item 1, further comprising treating at least a portion of the porous material prior to forming the filler material.
(Item 8)
8. The method of item 7, wherein the treating step further comprises forming a polymeric material on at least a portion of the porous material.
(Item 9)
9. The method of item 8, wherein the polymeric material is a poly (ethylene glycol) coating.
(Item 10)
The method of item 1, wherein the filler material is a solid.
(Item 11)
The method of item 1, wherein the filler material is a liquid.
(Item 12)
Item 2. The method of item 1, wherein the filler material is octane, ammonium carbonate, or ammonium bicarbonate.
(Item 13)
Item 2. The method of item 1, wherein the binder material is a polymer material.
(Item 14)
Item 2. The method of item 1, wherein the binder material is poly (ethylene-co-propylene-co-5-methylene-2-norbornene) (EPMN).
(Item 15)
Item 2. The method according to Item 1, wherein the active electrode species is sulfur.
(Item 16)
The electrode includes at least sulfur loading of 1.5 mg / cm 2, The method of claim 15.
(Item 17)
The electrode includes at least sulfur loading of 2.5 mg / cm 2, The method of claim 15.
(Item 18)
The electrode includes at least sulfur loading of 5.0 mg / cm 2, The method of claim 15.
(Item 19)
A method for forming an electrode comprising:
A porous material comprising carbon and a filler solution comprising a filler material are contacted such that the filler material forms a coating on the first portion of the porous material, the first coated Producing a porous material;
The first coated porous material and an electrode material comprising an active electrode species and a binder material such that the electrode material forms a coating over at least a second portion of the porous material. Contacting to produce a second coated porous material; and
Removing at least some of the filler material from the second coated porous material, thereby forming the electrode;
Including the method.
(Item 20)
A method for forming an electrode comprising:
A porous material comprising carbon; and an active electrode species, a fluid carrier, and an electrode composition comprising at least 5% by weight of a binder material relative to the porous material, wherein the electrode composition comprises at least the porous material. Contacting to form a coating on a portion to produce a coated porous material; and
Removing at least some of the fluid carrier from the coated porous material, thereby forming the electrode, wherein the electrode has an active electrode species loading of at least 1.6 mg / cm 2. And comprising at least 50% porosity
Including the method.
(Item 21)
21. A method according to item 20, wherein the electrode composition comprises at least 10% by weight of the binder material with respect to the porous material.
(Item 22)
21. The method of item 20, wherein the electrode composition comprises at least 15% by weight of the binder material relative to the porous material.
(Item 23)
21. The method of item 20, wherein the electrode composition comprises at least 20% by weight of the binder material relative to the porous material.
(Item 24)
21. The method of item 20, wherein the electrode composition comprises at least 25% by weight of the binder material relative to the porous material.
(Item 25)
21. A method according to item 20, wherein the electrode composition comprises at least 30% by weight of the binder material with respect to the porous material.
(Item 26)
21. A method according to item 20, wherein the fluid carrier is hydrophobic.
(Item 27)
21. A method according to item 20, wherein the fluid carrier is hydrophilic.
(Item 28)
21. A method according to item 20, wherein the fluid carrier is water.
(Item 29)
21. The method of item 20, wherein the binder material is a polymer material.
(Item 30)
21. A method according to item 20, wherein the binder material is poly (ethylene-co-propylene-co-5-methylene-2-norbornene) (EPMN).
(Item 31)
Item 21. The method of item 20, wherein the active electrode species is sulfur.
(Item 32)
The electrode includes at least sulfur loading of 1.5 mg / cm 2, The method of claim 20.
(Item 33)
The electrode includes at least sulfur loading of 2.5 mg / cm 2, The method of claim 20.
(Item 34)
The electrode includes at least sulfur loading of 5.0 mg / cm 2, The method of claim 20.
(Item 35)
An electrochemical cell,
A cathode comprising an active electrode species, a porous material comprising carbon, and a binder material, wherein the binder material is a fluid in which the active electrode species and the porous material are not so soluble as to be evaluated. A cathode that is at least partially soluble in the carrier;
An anode; and
Electrolyte in electrochemical communication with the cathode and the anode
Including
Wherein the electrochemical cell has an active material capacitance of at least 60% of the theoretical capacitance of the active material.
(Item 36)
36. The electrochemical cell according to item 35, wherein the electrochemical cell has an active substance capacitance of at least 70% of the theoretical capacitance of the active substance.
(Item 37)
36. The electrochemical cell according to item 35, wherein the electrochemical cell has an active substance capacitance of at least 80% of the theoretical capacitance of the active substance.
(Item 38)
36. The electrochemical cell according to item 35, wherein the electrochemical cell has an active substance capacitance of at least 90% of the theoretical capacitance of the active substance.
(Item 39)
36. The electrochemical cell according to item 35, wherein the active electrode species is sulfur.
(Item 40)
The electrode includes at least sulfur loading of 1.5 mg / cm 2, the electrochemical cell of claim 39.
(Item 41)
The electrode includes at least sulfur loading of 2.5 mg / cm 2, the electrochemical cell of claim 39.
(Item 42)
The electrode includes at least sulfur loading of 5.0 mg / cm 2, the electrochemical cell of claim 39.
(Item 43)
A method for forming an electrode comprising:
Forming an electrochemically active electrode precursor comprising a carbon-based conductive material and an active electrode species; and
Removing material substantially uniformly from the electrode precursor to form the electrode, thereby increasing the surface area of the carbon-based conductive material, the active electrode species, or both The surface area can be exposed to an electrolyte during use of the electrode;
Including the method.
(Item 44)
44. The method of item 43, wherein the electrode has a relative active material capacitance that is at least 60% of the active material theoretical capacitance.

図1は、本発明の一実施形態に従う、電気化学的セルを示す。FIG. 1 shows an electrochemical cell according to one embodiment of the present invention. 図2は、本発明の一実施形態に従う、結合材物質の一例を示す。FIG. 2 shows an example of a binder material according to one embodiment of the present invention. 図3は、温度の関数としての、炭酸水素アンモニウムの蒸気圧のグラフを示す。FIG. 3 shows a graph of the vapor pressure of ammonium bicarbonate as a function of temperature. 図4は、(a)温度の関数としての炭酸水素アンモニウムの水中の溶解度、および(b)水中の炭酸水素アンモニウムのサーマルサイクリンググラフ、を示す。FIG. 4 shows (a) the solubility of ammonium bicarbonate in water as a function of temperature, and (b) the thermal cycling graph of ammonium bicarbonate in water. 図5は、(a)ヘキサンおよび(b)炭酸水素アンモニウムの蒸気圧のアレニウスプロットを示す。FIG. 5 shows an Arrhenius plot of the vapor pressure of (a) hexane and (b) ammonium bicarbonate. 図6は、2つの電気化学的セルについてのサイクル数の関数としての比電気容量(specific capacity)のプロットを示す。FIG. 6 shows a plot of specific capacity as a function of cycle number for two electrochemical cells. 図7は、(a)500mA、(b)2.2A、および(c)4.4Aの放電電流において、液体充填材としてオクタンを使用して調製された電気化学的セル、ならびに(d)500mA、(e)2.2A、および(f)4.4Aの放電電流において、液体充填材としてのオクタンなしで調製された本質的に同一の電気化学的セル、についてのサイクル数の関数としての比電気容量のプロットを示す。FIG. 7 shows (a) an electrochemical cell prepared using octane as the liquid filler at a discharge current of 500 mA, (b) 2.2 A, and (c) 4.4 A, and (d) 500 mA. , (E) at a discharge current of 2.2 A and (f) 4.4 A, ratio as a function of cycle number for essentially the same electrochemical cell prepared without octane as the liquid filler A plot of capacitance is shown.

本発明の他の局面、実施形態および特徴は、添付の図面とともに考慮される場合に、以下の詳細な説明から明らかになる。添付の図面は一定比例で書かれていることを意図しない。明確にする目的で、あらゆる構成要素がすべて数字で表示されているわけではなく、本発明の各実施形態のあらゆる構成要素が示されているわけでもなく、図示は、当業者に本発明を理解させるのに必要ではない。本明細書に参考として援用されるすべての特許出願および特許は、その全体が参考として援用される。矛盾する場合には、本願明細書が、定義を含め、優先するものとする。   Other aspects, embodiments and features of the invention will become apparent from the following detailed description when considered in conjunction with the accompanying drawings. The accompanying drawings are not intended to be drawn to scale. For purposes of clarity, not every component is shown as a number, and every component of each embodiment of the present invention is not shown, and the illustration is understood by those of ordinary skill in the art. It is not necessary to make it happen. All patent applications and patents incorporated herein by reference are incorporated by reference in their entirety. In case of conflict, the present specification, including definitions, will control.

(発明の詳細な説明)
本発明は、電気化学的セル、電極、および関連方法に関する。
(Detailed description of the invention)
The present invention relates to electrochemical cells, electrodes, and related methods.

一般に、本発明は、改善されたセル性能および電気容量率を有する電気化学的デバイスを生成するために、電気化学的セルもしくはその構成要素の製造の間に、除去可能な充填材物質(例えば、犠牲物質)の使用を包含する。例えば、本発明は、作動の間に上記電気化学的セル内での増強された電気活性種の利用および/もしくは増大した電気活性種の利用しやすさを示す電気化学的セルを提供し得る。いくつかの場合には、本発明は、電気活性種の高負荷(例えば、1.5mg/cmより大きい)ならびに良好な接着および密着特性の両方を有利には有する電極を提供し得る。本発明のいくつかの電気化学的セル(例えば、再充電可能なバッテリー)は、1種以上の電気活性物質(例えば、電気活性硫黄含有物質)および結合材物質を含む多孔性電極を含み得る。 In general, the present invention provides a removable filler material (e.g., during the manufacture of an electrochemical cell or component thereof) to produce an electrochemical device with improved cell performance and capacitance ratio (e.g., Use of sacrificial substances). For example, the present invention may provide an electrochemical cell that exhibits enhanced utilization of electroactive species and / or increased availability of electroactive species within the electrochemical cell during operation. In some cases, the present invention may provide electrodes that advantageously have both high loads of electroactive species (eg, greater than 1.5 mg / cm 2 ) and good adhesion and adhesion properties. Some electrochemical cells (eg, rechargeable batteries) of the present invention may include a porous electrode that includes one or more electroactive materials (eg, electroactive sulfur-containing materials) and a binder material.

本発明の一局面は、電極の製造における充填材物質(例えば、犠牲物質)の使用が、いくつかの利点を提供し得るという発見である。いくつかの場合において、基材(例えば、多孔性炭素物質)内に充填材物質を組み込み、その後、上記充填材物質の少なくともいくらかを除去して、上記基材の一部を露出することは、上記セルの他の構成要素に対する上記基材表面積の改善された利用しやすさを提供し得る。例えば、上記充填材物質は、上記電解質が、セル作動の間に上記電極(例えば、多孔性)の内部部分に接触し得るように、電極物質の多孔性を維持するために使用され得る。本発明の別の有利な特徴は、上記活性電極種の高負荷、ならびに上記電極の安定性および良好な機械的特性をも維持しながら、改善された利用性/活性電極種の利用しやすさを達成する能力である。   One aspect of the present invention is the discovery that the use of filler materials (eg, sacrificial materials) in the manufacture of electrodes can provide several advantages. In some cases, incorporating a filler material within a substrate (eg, a porous carbon material), and then removing at least some of the filler material to expose a portion of the substrate, It may provide improved ease of use of the substrate surface area relative to other components of the cell. For example, the filler material can be used to maintain the porosity of the electrode material so that the electrolyte can contact an internal portion of the electrode (eg, porous) during cell operation. Another advantageous feature of the present invention is the improved availability / accessibility of the active electrode species while maintaining the high load of the active electrode species and the stability and good mechanical properties of the electrodes. Is the ability to achieve

本発明は、後半に種々の電気化学的デバイスにおける使用を見いだし得るが、1つのこのようなデバイスの例は、例示目的のみで図1に提供される。図1において、電気化学的セルの一般的実施形態は、カソード、アノード、および両方の電極と接触した状態にある電解質層を含み得る。上記構成要素は、上記電解質が、上記カソードとアノードとの間に、積み重ねられた配置において配置されるように、組み立てられ得る。図1は、本発明の電気化学的セルを図示する。示される実施形態において、セル10は、基材20の実質的に平らな表面の上に形成され得るカソード30を含む。多孔性セパレーター物質40は、上記カソード30に隣り合って形成され得、上記カソード30へと沈着させられ得る。アノード層50は、多孔性セパレーター物質40に隣り合うように形成され得、上記カソード30と電気的連絡状態にあり得る。上記アノード50はまた、カソード30上に配置された電解質層上に形成され得る。当然のことながら、上記構成要素の配向は変動し得、例えば、上記アノード層もしくは上記電解質層が、上記基材の上に最初に形成されるように、上記層の配向が変動する他の実施形態が存在することが理解されるべきである。必要に応じて、さらなる層(示さず)(例えば、電気活性物質(例えば、電極)を上記電解質から保護する多層構造)は、米国特許出願第11/400,781号(2006年4月6日出願、発明の名称「Rechargeable Lithium/Water, Lithium/Air Batteries」、Affinitoら(これは、その全体が本明細書に参考として援用される))に詳細に記載されるように、存在し得る。さらに、平面上でない配置、示されるものとは異なる物質の特性を有する配置、および他の代替の配置は、本発明と関連して有用である。代表的な電気化学的セルはまた、当然のことながら、集電装置、外部回路、ハウジング構造などを含む。当業者は、図1に示されかつ本明細書に記載されるような一般的模式的配置とともに利用され得る多くの配置があることを、十分に知っている。   Although the present invention may find use later in various electrochemical devices, an example of one such device is provided in FIG. 1 for illustrative purposes only. In FIG. 1, a general embodiment of an electrochemical cell may include an electrolyte layer in contact with the cathode, the anode, and both electrodes. The components can be assembled such that the electrolyte is placed in a stacked arrangement between the cathode and anode. FIG. 1 illustrates the electrochemical cell of the present invention. In the illustrated embodiment, the cell 10 includes a cathode 30 that can be formed on a substantially planar surface of the substrate 20. A porous separator material 40 may be formed adjacent to the cathode 30 and deposited on the cathode 30. The anode layer 50 may be formed adjacent to the porous separator material 40 and may be in electrical communication with the cathode 30. The anode 50 can also be formed on an electrolyte layer disposed on the cathode 30. Of course, the orientation of the components can vary, for example, other implementations where the orientation of the layers varies such that the anode layer or the electrolyte layer is first formed on the substrate. It should be understood that a form exists. Optionally, additional layers (not shown) (eg, a multilayer structure that protects electroactive materials (eg, electrodes) from the electrolyte) can be obtained from US patent application Ser. No. 11 / 400,781 (April 6, 2006). It may exist as described in detail in the application, the title of the invention “Rechargeable Lithium / Water, Lithium / Air Batteries”, Affinito et al., Which is hereby incorporated by reference in its entirety. Furthermore, non-planar arrangements, arrangements having material properties different from those shown, and other alternative arrangements are useful in connection with the present invention. A typical electrochemical cell will of course also include a current collector, external circuitry, housing structure, and the like. Those skilled in the art are well aware that there are many arrangements that can be utilized with the general schematic arrangement shown in FIG. 1 and described herein.

上記に記載されるように、充填材物質は、電気化学的セル(例えば、電極)の構成要素を形成するための製造プロセスにおいて使用され得る。用語「充填材物質」とは、本明細書で使用される場合、複数の物質が所望の構造物(例えば、電気化学的構造物)を作るために処理される製造工程のシーケンスにおいて、機械式プレースホルダー(mechanical place holder)、もしくは犠牲物質として使用される物質をいう。いったん、上記構造物の関連する物質が形成されると、上記充填材物質のうちの少なくともいくらかは、他の物質が適所に配置され、それによって、所望の構造を作る間に除去され得る。いくつかの実施形態において、多孔性電極の製造の間の上記充填材物質の使用は、有利には、上記電極の多孔性を維持し得る。いくつかの場合において、多孔性電極の製造の間の上記充填材物質の使用はまた、上記多孔性電極の内部孔の表面上ではなく、上記多孔性電極の外側表面上に形成される活性電極種の量を増大させることによって、上記セルの作動の間に上記活性電極種の利用しやすさを増強し得る。   As described above, the filler material can be used in a manufacturing process to form components of an electrochemical cell (eg, an electrode). The term “filler material” as used herein refers to a mechanical process sequence in which a plurality of materials are processed to make a desired structure (eg, an electrochemical structure). A substance used as a placeholder or a sacrificial substance. Once the relevant material of the structure is formed, at least some of the filler material can be removed while other materials are in place, thereby creating the desired structure. In some embodiments, the use of the filler material during the manufacture of a porous electrode can advantageously maintain the porosity of the electrode. In some cases, the use of the filler material during the manufacture of the porous electrode also allows the active electrode to be formed on the outer surface of the porous electrode, rather than on the surface of the inner pores of the porous electrode. Increasing the amount of species can enhance the availability of the active electrode species during operation of the cell.

よって、いくつかの実施形態において、本発明は、電極を形成するための方法を提供する。いくつかの実施形態において、上記充填材物質は、物質(例えば、多孔性物質)の第1の部分の上に形成され得、電極物質は、上記物質の少なくとも第2の部分の上に形成され得る。上記電極物質は、活性電極種および結合材物質(例えば、可溶性結合材物質)を含み得る。次いで、上記充填材物質のうちの少なくともいくらかを、上記物質からその後に除去することは、所望の電極構造を生成し得る。   Thus, in some embodiments, the present invention provides a method for forming an electrode. In some embodiments, the filler material can be formed on a first portion of a material (eg, a porous material) and the electrode material is formed on at least a second portion of the material. obtain. The electrode material can include an active electrode species and a binder material (eg, a soluble binder material). Then, subsequent removal of at least some of the filler material from the material can produce the desired electrode structure.

いくつかの場合において、上記方法は、多孔性物質(例えば、炭素を含む多孔性物質)の少なくとも一部の上に、上記多孔性物質表面の一部が上記充填材物質によってコーティングされるか、そして/または上記孔のうちの少なくともいくらかが上記充填材物質で「満たされる」ように、充填材物質を形成する工程を包含する。例えば、上記方法は、上記多孔性物質と、充填材物質を含む充填材溶液とを、上記充填材物質が上記多孔性物質の第1の部分の上にコーティングを形成するように接触させ、コーティングされた多孔性物質を形成する工程を包含し得る。上記充填材溶液は、上記充填材物質、および上記充填材物質が評価できる程度に可溶性である少なくとも1種の流体キャリアを含み得る。上記流体キャリアのうちの少なくともいくらかを、例えば、エバポレーションもしくは加熱を介して除去することは、上記多孔性物質の表面上の上記充填材物質の形成を生じ得る。いくつかの実施形態において、上記充填材物質は固体である。いくつかの実施形態において、上記充填材物質は流体(例えば、オクタン)である。充填材物質のいくつかの例としては、炭酸水素アンモニウムおよび水があげられるが、これらに限定されない。しかし、他の充填材物質が、以下により十分に記載されるように、本発明の状況において使用され得ることは、理解されるべきである。   In some cases, the method includes: coating at least a portion of a porous material (eg, a carbon-containing porous material) with a portion of the porous material surface coated with the filler material; And / or forming a filler material such that at least some of the pores are “filled” with the filler material. For example, the method includes contacting the porous material and a filler solution comprising a filler material such that the filler material forms a coating on the first portion of the porous material, Forming a formed porous material. The filler solution may include the filler material and at least one fluid carrier that is soluble to the extent that the filler material can be evaluated. Removing at least some of the fluid carrier, for example via evaporation or heating, can result in the formation of the filler material on the surface of the porous material. In some embodiments, the filler material is a solid. In some embodiments, the filler material is a fluid (eg, octane). Some examples of filler materials include, but are not limited to, ammonium bicarbonate and water. However, it should be understood that other filler materials may be used in the context of the present invention, as described more fully below.

いくつかの場合において、上記充填材物質は、正の温度溶解度勾配を有する物質(すなわち、温度が増大するにつれて増大する溶解度を有する物質)の温度サイクリングを介して多孔性物質の内部部分内に沈着させられ得る。例示的実施形態において、上記充填材物質は、上記多孔性物質と、充填材物質および流体キャリアを含む充填材溶液とを、上記充填材物質が上記流体キャリアに実質的に溶解される第1の温度において接触させることによって、上記多孔性物質上に形成され得る。上記充填材溶液および/もしくは多孔性物質の温度は、上記充填材物質を、上記多孔性物質の孔内で沈殿させ得る第2の低い温度に低下させられ得る。上記プロセスは、十分な量の充填材物質が上記多孔性物質の孔内に形成されるまで、反復(例えば、サイクル)させられ得る。   In some cases, the filler material is deposited within the interior portion of the porous material via temperature cycling of a material having a positive temperature solubility gradient (ie, a material having an increased solubility as the temperature increases). Can be made. In an exemplary embodiment, the filler material comprises the porous material and a filler solution comprising a filler material and a fluid carrier, wherein the filler material is substantially dissolved in the fluid carrier. It can be formed on the porous material by contacting at temperature. The temperature of the filler solution and / or porous material can be lowered to a second lower temperature that can cause the filler material to precipitate within the pores of the porous material. The process can be repeated (eg, cycled) until a sufficient amount of filler material is formed within the pores of the porous material.

いくつかの場合において、上記充填材物質は、種々の飽和方法を介して上記多孔性物質の上に毛制され得る。ここで上記多孔性物質は、充填材物質蒸気に露出され得る。例えば、不活性ガス飽和方法が使用され得、ここで上記多孔性物質は、不活性乾燥ガス(例えば、窒素、アルゴン)が測定された流速でパージされる閉鎖容器中に配置される。蒸気形態中の充填材物質の流れは、単独で、もしくは不活性ガスの流れと組み合わせて、上記容器に導入され得る。いくつかの場合において、小さなビーズを含む容器が、不活性ガスラインに流動するように取り付けられ得、充填材物質流体(例えば、オクタン)の小さな流れが、上記小さなビーズの表面上に静かに流れるようにされ得る。上記充填材物質流体は、次いで、上記不活性ガス流へと気化されて、飽和不活性ガスを形成し、これは、上記炭素物質と接触し(例えば、通過し)、次いで、上記容器から出るようにされ得る。   In some cases, the filler material can be constrained onto the porous material via various saturation methods. Here, the porous material may be exposed to filler material vapor. For example, an inert gas saturation method can be used, wherein the porous material is placed in a closed vessel where an inert dry gas (eg, nitrogen, argon) is purged at a measured flow rate. The flow of filler material in vapor form can be introduced into the vessel alone or in combination with a flow of inert gas. In some cases, a container containing small beads can be attached to flow to an inert gas line so that a small flow of filler material fluid (eg, octane) flows gently over the surface of the small beads. Can be done. The filler material fluid is then vaporized into the inert gas stream to form a saturated inert gas that contacts (eg, passes through) the carbon material and then exits the container. Can be done.

次いで、上記充填材物質は、上記多孔性物質と接触する(例えば、通過する)ときに、上記充填材上記を数サイクルにわたって交互に加熱および冷却することによって、上記多孔性基材上に形成され得る。いくつかの場合において、加熱不活性ガスを生成するために、ボルテックスチューブが使用され得る。いくつかの実施形態において、周囲飽和方法(ambient saturation method)が使用され得る。ここで上記多孔性物質は、閉じた容器に入れられ、上記容器の底にある充填材物質の溶液全体に(例えば、ワイヤクロスによって)懸濁される。あるいは、上記多孔性基材は、ボールミルジャーを使用して、充填材物質で飽和させられ得る。例えば、上記ボールミルジャーは、乾燥不活性ガスでパージされ得、上記多孔性基材は、上記ボールミルジャーに添加され得る。充填材物質蒸気が添加され得、上記多孔性基材および充填材物質蒸気は、十分に混合されるまで、転倒混和され得る。いくつかの実施形態において、上記多孔性物質は、飽和する前に乾燥させられ得る。   The filler material is then formed on the porous substrate by alternately heating and cooling the filler material over several cycles as it contacts (eg, passes through) the porous material. obtain. In some cases, a vortex tube can be used to generate a heated inert gas. In some embodiments, an ambient saturation method may be used. Here, the porous material is placed in a closed container and suspended in the entire solution of filler material at the bottom of the container (eg, by wire cloth). Alternatively, the porous substrate can be saturated with a filler material using a ball mill jar. For example, the ball mill jar can be purged with a dry inert gas and the porous substrate can be added to the ball mill jar. Filler material vapor can be added and the porous substrate and filler material vapor can be mixed by inversion until well mixed. In some embodiments, the porous material can be dried before saturating.

上記充填材物質は、特定の適用に適した任意の量において、上記多孔性物質上に形成され得る。例えば、上記多孔性物質の大部分が上記セルの他の構成要素(例えば、電解質)に接触するかもしくは接近する(例えば、露出される)ことが望ましい適用において、製造の間に、上記充填材物質は、上記多孔性物質表面の比較的大きな部分の上に形成され得、後に除去され得るか、もしくは多孔性物質の所望の量をさらすために部分的に除去され得る。あるいは、上記多孔性物質の小さな部分が接触されるかもしくは上記セルの他の構成要素に接近可能であることが望ましい適用において、製造の間に、上記充填材物質は、上記多孔性物質表面の比較的小さな部分の上に形成され得る。いくつかの場合において、上記多孔性物質上に上記充填材物質を形成する際に、上記多孔性物質は、上記多孔性物質(例えば、多孔性炭素物質)に対して約5〜95重量%の充填材物質を含み得る。いくつかの場合において、上記多孔性物質は、上記多孔性物質に対して、約15〜85重量%、25〜75重量%、35〜65重量%、もしくはいくつかの場合において、約45〜55重量%の充填材物質を含み得る。1セットの実施形態において、上記多孔性物質は、上記多孔性物質(例えば、多孔性炭素物質)に対して、約50重量%の充填材物質を含み得る。本発明の方法は、上記多孔性物質の少なくとも一部(充填材物質を含む部分および/もしくは充填材物質を含まない部分を含む)の上に電極物質もしくは電極組成物を形成することを包含し得る。いくつかの場合において、上記多孔性物質は、活性電極種(例えば、硫黄)および結合材物質を含む電極物質で処理(例えば、接触、コーティング)され得る。さらなる物質、流体キャリア、他の添加剤、および/もしくはこれらの組み合わせはまた、上記電極物質と組み合わせて、上記多孔性基材に適用され得る。   The filler material can be formed on the porous material in any amount suitable for a particular application. For example, in applications where it is desirable that the majority of the porous material be in contact with or in close proximity (eg, exposed) to other components of the cell (eg, electrolytes), the filler during manufacture may be The material can be formed on a relatively large portion of the porous material surface and later removed or partially removed to expose the desired amount of porous material. Alternatively, in applications where it is desirable that a small portion of the porous material is contacted or accessible to other components of the cell, during manufacture, the filler material may be deposited on the surface of the porous material. It can be formed on a relatively small part. In some cases, when forming the filler material on the porous material, the porous material is about 5-95% by weight relative to the porous material (eg, porous carbon material). A filler material may be included. In some cases, the porous material is about 15-85 wt%, 25-75 wt%, 35-65 wt%, or in some cases about 45-55 wt%, relative to the porous material. It may contain weight percent filler material. In one set of embodiments, the porous material may include about 50% by weight filler material relative to the porous material (eg, porous carbon material). The method of the present invention includes forming an electrode material or an electrode composition on at least a part of the porous material (including a part containing a filler material and / or a part not containing a filler material). obtain. In some cases, the porous material can be treated (eg, contacted, coated) with an electrode material comprising an active electrode species (eg, sulfur) and a binder material. Additional materials, fluid carriers, other additives, and / or combinations thereof can also be applied to the porous substrate in combination with the electrode material.

いくつかの場合において、上記結合材物質および上記活性電極種は、上記結合材物質、上記活性電極種、および少なくとも1種の流体キャリアを含む混合物(例えば、電極組成物)から、上記多孔性物質に適用され得る。上記流体キャリアのうちの少なくともいくらかの除去(例えば、エバポレーションもしくは乾燥)は、次いで、上記多孔性物質の表面上に上記電極物質を形成し得る。いくつかの場合において、上記混合物は、均一溶液、不均一分散物もしくはスラリーなどとして提供され得る。当業者は、所望の混合物を生成するために、結合材物質、活性電極種、および流体キャリアの適切な組み合わせを選択し得る。例えば、単純なスクリーニング試験は、上記混合物構成要素(例えば、結合材物質、活性電極種、流体キャリアなど)の少量を単純に組み合わせて、溶液もしくはスラリーが形成されるか否かを決定することによって、行われ得る。いくつかの場合において、上記混合物は、上記多孔性基材に適用する前に、さらに処理(例えば、加熱、攪拌、超音波処理、ミルなど)され得る。上記混合物は、均一な混合物を提供するため、凝集を防止するため、もしくは上記混合物に他の所望の特徴を付与するために、処理され得る。一実施形態において、上記混合物は、上記多孔性基材に適用する前に、ミルされ得る。   In some cases, the binder material and the active electrode species are derived from a mixture (eg, electrode composition) comprising the binder material, the active electrode species, and at least one fluid carrier. Can be applied to. Removal (eg, evaporation or drying) of at least some of the fluid carrier can then form the electrode material on the surface of the porous material. In some cases, the mixture can be provided as a homogeneous solution, a heterogeneous dispersion, or a slurry. One skilled in the art can select the appropriate combination of binder material, active electrode species, and fluid carrier to produce the desired mixture. For example, a simple screening test can be performed by simply combining small amounts of the mixture components (eg, binder material, active electrode species, fluid carrier, etc.) to determine whether a solution or slurry is formed. Can be done. In some cases, the mixture can be further processed (eg, heated, stirred, sonicated, milled, etc.) before being applied to the porous substrate. The mixture can be processed to provide a uniform mixture, to prevent agglomeration, or to impart other desired characteristics to the mixture. In one embodiment, the mixture can be milled prior to application to the porous substrate.

いくつかの実施形態において、上記電極組成物は、いくつかの場合において、活性電極種(例えば、硫黄)、流体キャリア、および上記多孔性物質に対して、少なくとも5重量%、少なくとも10重量%、少なくとも15重量%、少なくとも20重量%、少なくとも25重量%、少なくとも30重量%、もしくはそれ以上の結合材物質を含む。   In some embodiments, the electrode composition, in some cases, is at least 5% by weight, at least 10% by weight, based on the active electrode species (eg, sulfur), the fluid carrier, and the porous material. At least 15%, at least 20%, at least 25%, at least 30%, or more binder material.

本明細書で記載されるように、可溶性結合材物質の使用は、上記コーティングプロセスを単純化し得、上記混合物内の活性電極物質の増大した量の使用を可能にし、高負荷の電気活性種を有する電極を生成し得る。いくつかの実施形態において、上記結合材物質は、上記電極組成物の上記流体キャリア中で少なくとも部分的に可溶性であり得る。いくつかの場合において、上記結合材物質は、上記活性電極種、多孔性物質、および/もしくは充填材物質が評価できる程度に可溶性ではない流体キャリア中で、少なくとも部分的に可溶性であり得る。いくつかの場合において、上記混合物は、活性電極種、結合材物質、および上記結合材物質が少なくとも部分的に可溶性でありかつ上記活性電極種および上記多孔性物質が評価できる程度に可溶性ではない流体キャリアを含むスラリーであり得る。   As described herein, the use of a soluble binder material can simplify the coating process, allowing the use of increased amounts of active electrode material in the mixture, and reducing the load of electroactive species. An electrode having the same can be produced. In some embodiments, the binder material can be at least partially soluble in the fluid carrier of the electrode composition. In some cases, the binder material may be at least partially soluble in a fluid carrier where the active electrode species, porous material, and / or filler material is not soluble to the extent that it can be evaluated. In some cases, the mixture is a fluid in which the active electrode species, binder material, and the binder material are at least partially soluble and not so soluble that the active electrode species and the porous material can be evaluated. It may be a slurry containing a carrier.

いくつかの場合において、上記電極組成物(例えば、スラリー)は、有利には、公知の方法に対して高い固体負荷を含み得る。例えば、以前の方法を使用して、多孔性炭素基材に対する、高い固体負荷を含む混合物の適用は、炭素基材による上記流体キャリアの望ましくない吸収を生じ得る。このことは、上記混合物を不安定化し得、そして/または上記混合物内の上記結合材物質の沈殿を引き起こし得る。しかし、本発明の方法を使用して、高い固体負荷を有する混合物は、充填材物質を含む炭素基材に容易に適用され得る。いくつかの場合において、上記充填材物質は、上記多孔性炭素基材の孔をブロックして、上記多孔性炭素基材によって上記流体キャリアの吸収を最小限にし得るかもしくは妨げ得る。いくつかの実施形態において、上記電極は、少なくとも1.6mg/cmの活性電極種負荷を含み得る。用語「活性電極種負荷」もしくは「電気活性種負荷」とは、上記電極上に形成されるかもしくは「負荷」される活性電極種の量をいう。いくつかの実施形態において、上記混合物は、少なくとも10重量%、少なくとも20重量%、少なくとも30重量%、少なくとも40重量%、もしくはそれ以上の固体含有量(例えば、活性電極種含有量)を有し得る。上記混合物はまた、他の添加剤(例えば、可塑剤および/もしくは結晶化改変剤)を含み得る。いくつかの実施形態において、上記添加剤は、上記添加剤が上記セルの性能に悪影響を及ぼさないように、上記スラリーの他の構成要素と適合性(例えば、上記他の構成要素に対して不活性、もしくはこれと混和性)であるように選択され得る。添加剤の例としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ポリエチレングリコールおよびポリプロピレングリコールが挙げられるが、これらに限定されない。 In some cases, the electrode composition (eg, slurry) can advantageously include a high solids load relative to known methods. For example, using previous methods, application of a mixture containing a high solids load to a porous carbon substrate can result in undesirable absorption of the fluid carrier by the carbon substrate. This can destabilize the mixture and / or cause precipitation of the binder material within the mixture. However, using the method of the present invention, a mixture having a high solids load can be easily applied to a carbon substrate containing a filler material. In some cases, the filler material may block the pores of the porous carbon substrate and minimize or prevent absorption of the fluid carrier by the porous carbon substrate. In some embodiments, the electrode can include an active electrode seed load of at least 1.6 mg / cm 2 . The term “active electrode species loading” or “electroactive species loading” refers to the amount of active electrode species that is formed or “loaded” on the electrode. In some embodiments, the mixture has a solids content (eg, active electrode species content) of at least 10%, at least 20%, at least 30%, at least 40%, or more. obtain. The mixture may also contain other additives such as plasticizers and / or crystallization modifiers. In some embodiments, the additive is compatible with other components of the slurry (eg, incompatible with the other components) so that the additive does not adversely affect the performance of the cell. Active, or miscible with it). Examples of additives include, but are not limited to, ethylene carbonate, propylene carbonate, polyethylene glycol and polypropylene glycol.

いくつかの実施形態において、上記基材(例えば、多孔性物質)のうちの少なくとも一部は、上記多孔性物質上に上記電極物質を形成する前に処理されて、上記充填材物質、活性電極種、結合材物質、もしくは上記製造プロセスと関連する他の構成要素に対する上記多孔性物質の親和性を変化(例えば、増強)させ得る。例えば、上記多孔性物質は、上記多孔性物質の親水性、疎水性、もしくは他の特徴を改変する適切な化学物質で処理され得る。いくつかの場合において、ポリマー物質は、上記多孔性物質の上に充填材物質を形成する前に、上記多孔性物質、もしくはその一部の上に形成されて、上記多孔性物質と上記充填材物質との間の相互作用を増強し得る。いくつかの実施形態において、上記ポリマー物質は、ポリ(エチレングリコール)であり得、これは、親水性充填材物質(例えば、水)に対する上記気質の親和性を増大させ得る。当業者は、所望の特徴(例えば、親水性、疎水性)を、上記多孔性物質の表面に付与し得る適切な化合物を選択し得る。.
いくつかの実施形態において、上記基材は、実質的に無水物質もしくは乾燥物質を生成するために処理され得る。例えば、未処理の多孔性の炭素物質は、その孔の中に水を含み得、この孔は、本明細書に記載される方法を使用して処理されるべきその性能および/もしくは能力を妨げ得る。いくつかの場合において、上記炭素物質から水を除去して、物質(例えば、充填材物質、結合材物質)が形成され得る適切な表面を提供することが望ましい。上記水は、種々の方法(加熱した不活性ガスサイクリングもしくは乾燥剤による乾燥を含む)を使用して、上記基材から少なくとも部分的に除去され得る。加熱した不活性ガスサイクリングは、代表的には、上記基材を密閉容器に入れ、それを介して不活性乾燥ガス(例えば、窒素、アルゴン)通過させることを包含する。上記不活性ガスは、上記炭素物質を通過させられ、次いで、上記容器から出るようにされ得る。上記不活性ガスは、数サイクルにわたって、交互に加熱もしくは冷却され得、それによって、上記基材を加熱および冷却し、最後のサイクルの後、上記容器は、貯蔵のために不活性ガス下で密閉され得る。乾燥剤による乾燥は、基材を、吸水性ビーズを含むデシケーター中に置いて、水蒸気を、上記基材の表面から除去することを包含する。上記充填材物質もしくはその一部は、種々の方法によって上記多孔性物質から除去され得る。例えば、上記充填材物質のうちの少なくともいくらかは、上記基材を加熱することによって除去され得る。他の実施形態において、上記充填材物質は、上記基材を、流体キャリアもしくは他の化学物質と接触させる(例えば、すすぐ)ことによって、少なくとも部分的に除去され得る。当業者は、特定の充填材物質を除去するために適した方法を選択し得る。例えば、上記電極の他の構成要素の分解温度より低い沸点を有する充填材物質は、加熱を介して、少なくとも部分的に除去され得る。別の例において、上記充填材物質は、上記充填材物質が上記流体キャリアでのすすぎを介して少なくとも部分的に除去され得るように、上記電極の他の構成要素が評価できる程度に可溶性でない流体キャリア中で、実質的に可溶性であり得る。上記充填材物質は、所望の適用に依存して、上記プロセスの間の任意の時点もしくはその後に除去され得る。いくつかの場合において、上記充填材物質は、上記電極物質の形成の間に、上記多孔性物質から除去され得る。
In some embodiments, at least a portion of the substrate (eg, porous material) is treated prior to forming the electrode material on the porous material to provide the filler material, active electrode. The affinity of the porous material for species, binder materials, or other components associated with the manufacturing process may be altered (eg, enhanced). For example, the porous material can be treated with a suitable chemical that alters the hydrophilicity, hydrophobicity, or other characteristics of the porous material. In some cases, the polymeric material is formed on the porous material, or a portion thereof, prior to forming the filler material on the porous material, the porous material and the filler. The interaction between substances can be enhanced. In some embodiments, the polymeric material can be poly (ethylene glycol), which can increase the affinity of the temperament for a hydrophilic filler material (eg, water). One skilled in the art can select suitable compounds that can impart the desired characteristics (eg, hydrophilicity, hydrophobicity) to the surface of the porous material. .
In some embodiments, the substrate can be treated to produce a substantially anhydrous or dry material. For example, an untreated porous carbon material can contain water in its pores, which impedes its performance and / or ability to be treated using the methods described herein. obtain. In some cases, it is desirable to remove water from the carbon material to provide a suitable surface on which a material (eg, filler material, binder material) can be formed. The water can be at least partially removed from the substrate using a variety of methods, including heated inert gas cycling or drying with a desiccant. Heated inert gas cycling typically involves placing the substrate in a sealed container through which an inert dry gas (eg, nitrogen, argon) is passed. The inert gas can be allowed to pass through the carbon material and then exit the container. The inert gas can be alternately heated or cooled over several cycles, thereby heating and cooling the substrate, and after the last cycle, the container is sealed under inert gas for storage Can be done. Drying with a desiccant involves placing the substrate in a desiccator containing water-absorbing beads to remove water vapor from the surface of the substrate. The filler material or a portion thereof can be removed from the porous material by various methods. For example, at least some of the filler material can be removed by heating the substrate. In other embodiments, the filler material may be at least partially removed by contacting (eg, rinsing) the substrate with a fluid carrier or other chemical. One skilled in the art can select a suitable method for removing a particular filler material. For example, filler material having a boiling point below the decomposition temperature of the other components of the electrode can be at least partially removed via heating. In another example, the filler material is a fluid that is not so soluble that other components of the electrode can be evaluated such that the filler material can be at least partially removed via rinsing with the fluid carrier. It can be substantially soluble in the carrier. The filler material can be removed at any time during or after the process, depending on the desired application. In some cases, the filler material can be removed from the porous material during formation of the electrode material.

上記充填材物質もしくはその一部は、次いで、得られた多孔性物質が、選択された場所に位置した電極物質(活性電極種および結合材物質を含む)を含む表面を有し、上記表面上の他の場所に露出された伝導性基材物質を有するように、下にある多孔性物質の一部を露わにするように選択され得る。本明細書に記載されるように、上記充填材物質のうちの少なくともいくらかを選択的に除去する能力は、有利なことには、上記セルの他の構成要素に接近可能である上記多孔性物質表面積の量を増大させ得る一方で、上記電極の他の物質(例えば、活性電極種、結合材物質)は、上記電極表面上もしくはその表面内で維持される。   The filler material or part thereof then has a surface on which the resulting porous material contains electrode material (including active electrode species and binder material) located at a selected location, on the surface It may be selected to expose a portion of the underlying porous material to have the conductive substrate material exposed elsewhere. As described herein, the ability to selectively remove at least some of the filler material advantageously allows the porous material to be accessible to other components of the cell. While the amount of surface area can be increased, other materials of the electrode (eg, active electrode species, binder material) are maintained on or within the electrode surface.

多孔性物質表面積の量は、上記電極の多孔性によって決定され得る。すなわち、上記電極の多孔性の増大が、上記電極の多孔性物質表面積の量の増大を示し得る。いくつかの実施形態において、上記電極は、少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、少なくとも80%、少なくとも90%、もしくはそれ以上の多孔性を有し得る。上記電極の多孔性は、公知の方法(例えば、BET測定値)を使用して決定され得る。   The amount of porous material surface area can be determined by the porosity of the electrode. That is, an increase in the porosity of the electrode can indicate an increase in the amount of porous material surface area of the electrode. In some embodiments, the electrode can have a porosity of at least 50%, at least 60%, at least 70%, at least 80%, at least 90%, or more. The porosity of the electrode can be determined using known methods (eg, BET measurements).

例示的実施形態において、多孔性炭素物質は、ポリ(エチレングリコール)で処理(例えば、コーティング)されて、水性流体キャリアに対する上記多孔性炭素物質の親和性を増大させ得る。次いで、上記多孔性炭素物質は、液体充填材物質(例えば、水)に露出され得(例えば、水によって接触させられ得)、これは、上記多孔性炭素物質の孔の少なくとも一部を満たし得る。次に、流体キャリアとしてのヘキサンの存在下で電極物質を含むスラリーは、上記多孔性炭素物質に適用され得る。上記電極物質は、上記活性電極種として硫黄、およびポリマー可溶性結合材(例えば、ポリ(エチレン−co−プロピレン−co−5−メチレン−2−ノルボルネン))を含み得る。上記多孔性炭素物質は、次いで、上記ヘキサンを除去するために第1の温度で加熱され得、上記多孔性炭素物質の表面上での上記電極物質の形成を生じる。水(例えば、充填材物質)は、次いで、上記多孔性炭素物質を、より高い第2の温度で加熱することによって除去して、上記電極を生成し得る。   In an exemplary embodiment, the porous carbon material can be treated (eg, coated) with poly (ethylene glycol) to increase the affinity of the porous carbon material for an aqueous fluid carrier. The porous carbon material can then be exposed (eg, contacted with water) to a liquid filler material (eg, water), which can fill at least some of the pores of the porous carbon material. . Next, a slurry containing electrode material in the presence of hexane as a fluid carrier can be applied to the porous carbon material. The electrode material may include sulfur as the active electrode species, and a polymer soluble binder (eg, poly (ethylene-co-propylene-co-5-methylene-2-norbornene)). The porous carbon material can then be heated at a first temperature to remove the hexane, resulting in the formation of the electrode material on the surface of the porous carbon material. Water (eg, a filler material) can then be removed by heating the porous carbon material at a higher second temperature to produce the electrode.

1セットの実施形態において、電気化学的に活性な電極前駆物質が提供され得、上記電極前駆物質は、炭素ベースの導電性物質および活性電極種を含む。例えば、上記電極前駆物質は、多孔性炭素基材および上記基材上に形成される活性電極種(例えば、硫黄)を含み得る。物質は、上記電極前駆物質から本質的に均一に除去されて、上記電極を形成し得る。本明細書で使用される場合、上記電極前駆物質から「本質的に均一に」物質を除去することは、物質が上記電極前駆物質のバルク全体を通して均一に除去されることを意味する。例えば、上記電極前駆物質から「本質的に均一に」物質を除去することは、例えば、エッチングを介する、上記電極物質の別個の部分の除去に言及しないことがある。いくつかの場合において、少なくともいくらかの充填材物質は、上記電極前駆物質から除去され得る。物質の除去は、上記電極、上記活性電極種、もしくは両方の使用の間に、電解質に露出されるかもしくは露出可能な上記炭素ベースの導電性物質の表面積を増大させ得る。いくつかの場合において、上記電極前駆物質からの物質の除去は、上記活性物質理論的電気容量の少なくとも60%である相対的活性物質電気容量を有する電極を生成し得る。   In one set of embodiments, an electrochemically active electrode precursor can be provided, the electrode precursor comprising a carbon-based conductive material and an active electrode species. For example, the electrode precursor can include a porous carbon substrate and an active electrode species (eg, sulfur) formed on the substrate. Material can be removed essentially uniformly from the electrode precursor to form the electrode. As used herein, removing material “essentially uniformly” from the electrode precursor means that the material is uniformly removed throughout the bulk of the electrode precursor. For example, removing “essentially uniformly” material from the electrode precursor may not refer to removal of discrete portions of the electrode material, eg, via etching. In some cases, at least some filler material may be removed from the electrode precursor. The removal of the material can increase the surface area of the carbon-based conductive material exposed to or exposed to the electrolyte during use of the electrode, the active electrode species, or both. In some cases, removal of material from the electrode precursor may produce an electrode having a relative active material capacitance that is at least 60% of the active material theoretical capacitance.

電極は、本明細書で記載される方法を使用して調製され得、電気化学的デバイス内に組み込まれ得る。よって、本発明のいくつかの実施形態はまた、電気化学的セルを提供する。上記電気化学的セルは、カソード、アノード、および上記カソードと上記アノードと電気化学的連絡状態にある電解質を含み得る。いくつかの実施形態において、上記カソードは、活性電極種、炭素を含む多孔性物質、および結合材物質(例えば、可溶性結合材物質)を含み得る。いくつかの場合において、上記カソードは、上記電極活性物質としての硫黄を含み得る。本明細書で記載されるように、本発明の方法を使用して製造される電極は、既知のセルに対して高い硫黄負荷を有し得る。いくつかの実施形態において、上記電極は、少なくとも1.5mg/cm(例えば、1.6mg/cm)、少なくとも2.5mg/cm、少なくとも5.0mg/cm、もしくはいくつかの場合において、それ以上の硫黄負荷を有する。 The electrode can be prepared using the methods described herein and incorporated into an electrochemical device. Thus, some embodiments of the present invention also provide an electrochemical cell. The electrochemical cell can include a cathode, an anode, and an electrolyte in electrochemical communication with the cathode and the anode. In some embodiments, the cathode can include an active electrode species, a porous material including carbon, and a binder material (eg, a soluble binder material). In some cases, the cathode may include sulfur as the electrode active material. As described herein, electrodes made using the method of the present invention can have a high sulfur load relative to known cells. In some embodiments, the electrode is at least 1.5 mg / cm 2 (eg, 1.6 mg / cm 2 ), at least 2.5 mg / cm 2 , at least 5.0 mg / cm 2 , or in some cases And having a sulfur load higher than that.

例示的実施形態において、上記電極は、4.3mg/cmの硫黄負荷および約190ミクロンの電極物質厚を有し得る。 In an exemplary embodiment, the electrode may have a sulfur load of 4.3 mg / cm 2 and an electrode material thickness of about 190 microns.

いくつかの実施形態において、上記電気化学的セルは、高い活性電極種利用を示し得、すなわち、上記電極活性物質は、セル性能が増強されるように、作動の間に、上記セル内の他の構成要素もしくは種に容易に接近可能であり得かつこれらと接触し得る。いくつかの場合において、上記活性物質電気容量は、上記活性物質理論的電気容量の少なくとも60%、少なくとも70%、少なくとも80%、もしくはいくつかの場合において、少なくとも90%であり得る。特定の物質についての「活性物質理論的電気容量」は、以下の式を使用して計算され得る:
Q=1/3600×n×F/M
ここで:
Q=理論的電気容量 Ah/g(アンペア時間/グラム)、
3600=1時間単位での秒数、
n=物質1分子あたりの、電気化学的プロセスに関わる電子数
F=ファラデー定数、96485C/mol、および
M=物質の分子質量(g)。
In some embodiments, the electrochemical cell may exhibit a high active electrode species utilization, i.e., the electrode active material may be otherwise activated during operation so that cell performance is enhanced. Can be easily accessible and contacted with these components or species. In some cases, the active material capacitance may be at least 60%, at least 70%, at least 80%, or in some cases at least 90% of the active material theoretical capacitance. The “active material theoretical capacitance” for a particular material can be calculated using the following formula:
Q = 1/3600 × n × F / M
here:
Q = theoretical electric capacity Ah / g (ampere time / gram),
3600 = seconds per hour,
n = number of electrons involved in the electrochemical process per molecule of substance F = Faraday constant, 96485 C / mol, and M = molecular mass (g) of the substance.

当業者は、上記活性物質理論的電気容量を計算し、これと、特定の物質についての実験的活性物質電気容量とを比較して、上記実験的電気容量が、上記理論的電気容量の少なくとも60%以上であるか否かを決定し得る。広い範囲の物質が、本明細書で記載されるように、充填材物質としての使用に適切であり得る。いくつかの場合において、上記充填材物質は、特定の基材(例えば、炭素基材)に対する親和性を有するように、選択され得る。いくつかの場合において、上記電極物質の形成の間に安定であり得る(例えば、分解しない、薄片に裂けない、反応しない、溶解しないなど)ように選択される上記充填材物質は、上記電極物質の形成の際に、1種以上のガスもしくは蒸気の中で容易に分解され得、迅速かつ完全な除去を促進し得る。当業者は、例えば、上記化学構造、または所定の温度における上記充填材物質の溶解度、揮発性、および/もしくは蒸気圧を考慮することによって、この挙動を示す物質を同定および選択し得る。例示的実施形態において、図3は、温度の関数として炭酸水素アンモニウムの蒸気圧のグラフを示し、これは、約50〜60℃、もしくはそれ以上の温度において分解/除去され得ることを示す。   One skilled in the art calculates the active material theoretical capacitance and compares it to the experimental active material capacitance for a particular material, so that the experimental capacitance is at least 60 of the theoretical capacitance. It can be determined whether it is greater than or equal to%. A wide range of materials may be suitable for use as filler materials, as described herein. In some cases, the filler material can be selected to have an affinity for a particular substrate (eg, a carbon substrate). In some cases, the filler material selected to be stable during the formation of the electrode material (eg, does not decompose, does not tear into slices, does not react, does not dissolve, etc.) Can be easily decomposed in one or more gases or vapors to facilitate rapid and complete removal. One skilled in the art can identify and select materials that exhibit this behavior, for example, by considering the chemical structure, or the solubility, volatility, and / or vapor pressure of the filler material at a given temperature. In an exemplary embodiment, FIG. 3 shows a graph of ammonium bicarbonate vapor pressure as a function of temperature, indicating that it can be decomposed / removed at temperatures of about 50-60 ° C. or higher.

他の実施形態において、上記充填材物質は、上記電極物質の形成の間に、上記多孔性物質に適用される上記電極組成物に関して実質的に不溶性であるように、選択される。単純なスクリーニング試験は、上記充填材物質が、処理の間に構造中で望ましくは維持される特定の環境において可溶性であるか不溶性であるかを決定するために使用され得る。単純な試験は、慣用的な実験環境において行われ得、上記充填材物質を種々の候補処理溶媒に単純に露出して、可溶性を決定することを包含する。充填材物質のあるクラスが、このようにして本発明における使用に潜在的に適切であると同定された場合、そのクラスの個々のメンバーは、実際の処理環境において使用する前にスクリーニングされて、それらの有効性を決定し得る。   In other embodiments, the filler material is selected to be substantially insoluble with respect to the electrode composition applied to the porous material during formation of the electrode material. A simple screening test can be used to determine whether the filler material is soluble or insoluble in a particular environment that is desirably maintained in the structure during processing. A simple test can be performed in a conventional laboratory environment and involves simply exposing the filler material to various candidate processing solvents to determine solubility. If a class of filler material is thus identified as potentially suitable for use in the present invention, individual members of that class are screened prior to use in the actual processing environment, Their effectiveness can be determined.

上記充填材物質は、液体、固体、もしくはこれらの組み合わせのいずれかであり得る。適切な充填材物質の例としては、有機塩および無機塩(例えば、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム、およびazidocarbonamide、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸ナトリウムおよび水素化ホウ素ナトリウムが挙げられるが、これらに限定されない。1セットの実施形態において、上記充填材物質は、炭酸アンモニウムもしくは炭酸水素アンモニウムである。いくつかの実施形態において、上記充填材物質は、液体(例えば、水もしくは炭化水素(例えば、オクタン))である。   The filler material can be either liquid, solid, or a combination thereof. Examples of suitable filler materials include organic and inorganic salts such as ammonium carbonate, ammonium bicarbonate, and azidocarbonamide, sodium bicarbonate, potassium bicarbonate, sodium carbonate and sodium borohydride. In one set of embodiments, the filler material is ammonium carbonate or ammonium bicarbonate.In some embodiments, the filler material is a liquid (eg, water or hydrocarbon (eg, octane). )).

いくつかの場合において、上記充填材物質は、流体キャリアと組み合わされて、充填材溶液を形成し得る。この充填材溶液は、上記多孔性基材に適用され得る。適切な流体キャリアとしては、水性流体キャリア、非水性流体キャリア、およびこれらの組み合わせが挙げられる。当業者は、適切な流体キャリアを選択して、充填材溶液を形成し得、単純なスクリーニング試験を、充填材物質が、上記多孔性物質の表面上での上記充填材物質の形成を促進するために、流体キャリア中で十分に可溶性であるか否かを決定するために使用され得る。例えば、少量の上記充填材物質は、一連の流体キャリアと組み合わされて、適合性が決定され得る。いくつかの実施形態において、上記流体キャリアは、穏やかな温度において除去され得るように、比較的低い沸点を有し得、高い乾燥速度を提供するために、低い気化エンタルピーを有し得る。例えば、上記流体キャリアは、100℃以下、90℃以下、80℃以下、もしくはいくつかの場合において、さらに低い沸点を有し得る。   In some cases, the filler material may be combined with a fluid carrier to form a filler solution. This filler solution can be applied to the porous substrate. Suitable fluid carriers include aqueous fluid carriers, non-aqueous fluid carriers, and combinations thereof. One of ordinary skill in the art can select an appropriate fluid carrier to form a filler solution, and a simple screening test can facilitate the formation of the filler material on the surface of the porous material. Thus, it can be used to determine whether it is sufficiently soluble in the fluid carrier. For example, a small amount of the filler material can be combined with a series of fluid carriers to determine compatibility. In some embodiments, the fluid carrier can have a relatively low boiling point so that it can be removed at moderate temperatures, and can have a low vaporization enthalpy to provide a high drying rate. For example, the fluid carrier may have a boiling point of 100 ° C. or lower, 90 ° C. or lower, 80 ° C. or lower, or in some cases even lower.

いくつかの実施形態において、上記充填材溶液における使用に適した流体キャリアとしては、ハロゲン化炭化水素もしくは部分的にハロゲン化された炭化水素(例えば、塩化メチレン)、炭化水素(例えば、ペンタンもしくはヘキサン)、芳香族化合物(例えば、ベンゼン、トルエン、もしくはキシレン)、アルコール(例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール)、他の水性溶媒(例えば、水)、これらの混合物などが挙げられる。   In some embodiments, fluid carriers suitable for use in the filler solution include halogenated hydrocarbons or partially halogenated hydrocarbons (eg, methylene chloride), hydrocarbons (eg, pentane or hexane). ), Aromatic compounds (for example, benzene, toluene, or xylene), alcohols (for example, methanol, ethanol, isopropanol), other aqueous solvents (for example, water), mixtures thereof, and the like.

本明細書で記載されるように、「結合材物質」とは、上記電極内で存在する場合に、上記電極への上記活性電極種の接着および密着を増強し得る任意の物質をいう。いくつかの場合において、結合材物質の組み合わせが使用され得る。当業者は、本明細書で記載される方法および電気化学的セルと関連する他の物質と組み合わせて、本発明における使用に適した適切な結合材物質を選択し得る。上記結合材物質は、セルの他の構成要素(上記カソード、上記アノードおよび上記電解質が挙げられるが、これらに限定されない)と適合性(例えば、上記他の構成要素に対して不活性)であるように、選択され得る。例えば、上記電気化学的セルは、ポリスルフィドを含み得、上記結合材物質は、作動の間にセル内のポリスルフィドと反応し得、かつ実質的に不可逆的に形成される副生成物で上記セルを汚染し得る特定の官能基(例えば、カルボニル基(例えば、エステル、ケトン、アルデヒドなど))を含まないように選択され得る。上記結合材物質はまた、上記多孔性物質(例えば、多孔性炭素物質)に対して良好な接着を示し、そして/または処理の間にもしくはセルが作動する間に割れたり、薄片に裂けたりもしないように選択され得る。いくつかの実施形態において、実質的に非毒性の結合材物質が使用され得る。   As described herein, “binder material” refers to any material that, when present in the electrode, can enhance adhesion and adhesion of the active electrode species to the electrode. In some cases, a combination of binder materials can be used. One of ordinary skill in the art, in combination with the methods described herein and other materials associated with the electrochemical cell, can select a suitable binder material suitable for use in the present invention. The binder material is compatible with (eg, inert to, the other components) other components of the cell, including but not limited to the cathode, anode, and electrolyte. Can be selected. For example, the electrochemical cell can include a polysulfide, and the binder material can react with the polysulfide within the cell during operation and the cell with a by-product that is formed substantially irreversibly. Certain functional groups that can be contaminated (eg, carbonyl groups (eg, esters, ketones, aldehydes, etc.)) may be selected. The binder material also exhibits good adhesion to the porous material (eg, porous carbon material) and / or may crack or tear into flakes during processing or while the cell is operating. You can choose not to. In some embodiments, a substantially non-toxic binder material can be used.

いくつかの場合において、上記結合材物質は、上記電解質に対して実質的に不溶性であるように選択され得る。すなわち、上記結合材物質は、上記電解質によって溶解されないこともあり、そして/または流体キャリアに対して評価できる程度に可溶性であることもある。上記結合材物質は、上記結合材物質が実質的に可溶性である溶媒中に提供され得る。いくつかの場合において、上記結合材物質は、非水性流体キャリア中において実質的に可溶性であり得る。いくつかの場合において、上記結合材物質は、水性流体キャリア中において実質的に可溶性であり得る。   In some cases, the binder material can be selected to be substantially insoluble in the electrolyte. That is, the binder material may not be dissolved by the electrolyte and / or may be so soluble that it can be evaluated with respect to the fluid carrier. The binder material can be provided in a solvent in which the binder material is substantially soluble. In some cases, the binder material can be substantially soluble in the non-aqueous fluid carrier. In some cases, the binder material can be substantially soluble in an aqueous fluid carrier.

いくつかの実施形態において、上記結合材物質は、ポリマー物質であり得る。ポリマー結合材物質の例としては、ポリビニリデンフルオリド(PVDF)ベースのポリマー(例えば、ポリ(ビニリデンフルオリド)(PVDF)、ならびにヘキサフルオロエチレンとのそのコポリマーおよびターポリマー)、テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、ポリ(ビニルフルオリド)、ポリテトラエチレン(PTFE)、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー(ETFE)、ポリブタジエン、シアノエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、およびスチレン−ブタジエンゴムとのそのブレンド、ポリアクリロニトリル、エチレンプロピレンジエンターポリマー、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ポリイミドまたはエチレン−ビニルアセテートコポリマーが挙げられるが、これらに限定されない。いくつかの場合において、上記結合材物質は、水性流体キャリア中で実質的に可溶性であり得、セルロース誘導体(代表的には、メチルセルロース(MC)、カルボキシメチルセルロース(CMC)およびヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC))、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリアクリル酸塩、ポリアクリルアミド(PA)、ポリビニルピロリドン(PVP)もしくはポリエチレンオキシド(PEO)が挙げられ得るが、これらに限定されない。   In some embodiments, the binder material can be a polymeric material. Examples of polymeric binder materials include polyvinylidene fluoride (PVDF) based polymers (eg, poly (vinylidene fluoride) (PVDF) and its copolymers and terpolymers with hexafluoroethylene), tetrafluoroethylene, chloro Trifluoroethylene, poly (vinyl fluoride), polytetraethylene (PTFE), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polybutadiene, cyanoethyl cellulose, carboxymethyl cellulose, and blends thereof with styrene-butadiene rubber, polyacrylonitrile, ethylene Examples include, but are not limited to, propylene diene terpolymers, styrene-butadiene rubber (SBR), polyimides, or ethylene-vinyl acetate copolymers. No. In some cases, the binder material may be substantially soluble in an aqueous fluid carrier and may be cellulose derivatives (typically methylcellulose (MC), carboxymethylcellulose (CMC) and hydroxypropylmethylcellulose (HPMC). ), Polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylate, polyacrylamide (PA), polyvinyl pyrrolidone (PVP) or polyethylene oxide (PEO), but are not limited thereto.

1セットの実施形態において、上記結合材物質は、ポリ(エチレン−co−プロピレン−co−5−メチレン−2−ノルボルネン)(EPMN)である。これは、セル構成要素(ポリスルフィドを含む)に対して化学的に中性(例えば、不活性)であり得る。図2は、EPMNの化学構造を示す。EPMNはまた、例えば、多孔性炭素物質、もしくは他の基材物質(金属基材(例えば、アルミニウム)を含む)に対して十分な接着を提供し得る。   In one set of embodiments, the binder material is poly (ethylene-co-propylene-co-5-methylene-2-norbornene) (EPMN). This can be chemically neutral (eg, inert) to the cell components (including polysulfides). FIG. 2 shows the chemical structure of EPMN. EPMN may also provide sufficient adhesion to, for example, porous carbon materials, or other substrate materials, including metal substrates (eg, aluminum).

上記で記載されるように、上記結合材物質は、他の物質(例えば、活性電極種)に加えて、上記多孔性物質上での上記電極物質の形成の間に、流体キャリアと組み合わせられ得る。いくつかの場合において、上記結合材物質が評価できる程度に混和性もしくは可溶性である流体キャリアが、使用され得る。いくつかの実施形態において、上記流体キャリアは、上記充填材物質が、上記流体キャリアに対して評価できる程度に混和性もしくは可溶性ではないように選択され得、その結果、上記多孔性物質上で形成される上記充填材物質は、上記電極物質の形成の間に実質的にインタクトなままである。いくつかの実施形態において、上記流体キャリアは、上記活性電極種が上記流体キャリアに対して評価できる程度に混和性もしくは可溶性でないように、選択され得る。このことは、上記多孔性物質上の特定の位置に上記電極物質を選択的に配置することにおいて有利であり得る。例えば、多孔性物質の表面上に主に上記電極物質を形成し、上記多孔性物質の内部位置(例えば、孔)内の形成を最小限にするかもしくは防止することは望ましいことであり得る。結合材物質、活性電極種、ならびに上記結合材物質および活性電極種の両方が評価できる程度に可溶性である流体キャリアを含む電極組成物で、上記多孔性物質を処理することは、上記多孔性物質の孔内で上記活性電極種の望ましくない沈着もしくは結晶化を生じ得る。しかし、結合材物質、活性電極種、ならびに上記結合材物質が評価できる程度に可溶性でありかつ上記活性電極種が評価できる程度に可溶性でない流体キャリアを含む電極組成物での処理は、上記多孔性物質の表面で主に上記活性電極種の沈着を生じ得る。このことは、セル作動の間の上記活性電極種の利用を改善し得る。   As described above, the binder material can be combined with a fluid carrier during the formation of the electrode material on the porous material in addition to other materials (eg, active electrode species). . In some cases, a fluid carrier that is miscible or soluble to the extent that the binder material can be evaluated can be used. In some embodiments, the fluid carrier may be selected such that the filler material is not miscible or soluble to the extent that it can be evaluated relative to the fluid carrier, resulting in formation on the porous material. The filler material that is applied remains substantially intact during the formation of the electrode material. In some embodiments, the fluid carrier can be selected such that the active electrode species is not miscible or soluble to the extent that it can be assessed relative to the fluid carrier. This can be advantageous in selectively placing the electrode material at specific locations on the porous material. For example, it may be desirable to form the electrode material primarily on the surface of the porous material to minimize or prevent formation within internal locations (eg, pores) of the porous material. Treating the porous material with an electrode composition comprising a binder material, an active electrode species, and a fluid carrier that is soluble to the extent that both the binder material and the active electrode species can be evaluated is the porous material Can cause undesirable deposition or crystallization of the active electrode species within the pores. However, treatment with an electrode composition comprising a binder material, an active electrode species, and a fluid carrier that is soluble to the extent that the binder material can be evaluated and is not soluble to the extent that the active electrode species can be evaluated can be treated with the porous material described above. Deposition of the active electrode species can occur mainly on the surface of the material. This can improve the utilization of the active electrode species during cell operation.

例示的実施形態において、硫黄は、水および水溶性結合材物質の存在下で、多孔性炭素基材上に形成され得、ここで上記硫黄は、水中において評価できる程度に可溶性ではない。このことは、硫黄の比較的高い負荷が、上記孔の内部ではなく、上記多孔性炭素物質の外部表面上で形成され得る電極を生じ得る。このことは、セルが作動する間に、上記硫黄の増強された接近しやすさを生じる。   In an exemplary embodiment, sulfur can be formed on a porous carbon substrate in the presence of water and a water soluble binder material, wherein the sulfur is not soluble to the extent that it can be evaluated in water. This can result in an electrode where a relatively high load of sulfur can be formed on the outer surface of the porous carbon material rather than inside the pores. This results in enhanced accessibility of the sulfur while the cell is operating.

いくつかの場合において、上記電極物質の形成の間に使用される上記流体キャリアは、上記充填材物質が分解して、上記充填材物質の早期の除去を最小限にするかもしくは防止し得る温度未満の温度で、高い蒸発速度を示すように、選択され得る。すなわち、電極物質形成の間に使用される上記流体キャリアは、設定温度範囲内で、上記流体キャリアの蒸気圧が、上記充填材物質によって形成される任意の分解生成物の蒸気圧より高いように、選択され得る。例えば、上記流体キャリアは、分解温度未満の沸点もしくは気化エンタルピー、または上記充填材物質の気化エンタルピーを有し得る。これは、上記充填材物質の早期の除去を最小限にするかもしくは防止しながら、上記電極物質を形成するために上記流体キャリアの除去を可能にし得る。   In some cases, the fluid carrier used during formation of the electrode material is a temperature at which the filler material can decompose to minimize or prevent premature removal of the filler material. It can be selected to exhibit a high evaporation rate at temperatures below. That is, the fluid carrier used during electrode material formation is such that the vapor pressure of the fluid carrier is higher than the vapor pressure of any decomposition products formed by the filler material within a set temperature range. Can be selected. For example, the fluid carrier may have a boiling point or vaporization enthalpy below the decomposition temperature, or the vaporization enthalpy of the filler material. This may allow removal of the fluid carrier to form the electrode material while minimizing or preventing premature removal of the filler material.

任意の流体キャリアは、電極組成物における使用に適切であり得、これらとしては、水性流体キャリア、非水性流体キャリア、もしくはこれらの組み合わせが挙げられる。本発明の方法において使用され得る流体キャリアの例としては、溶媒(例えば、ベンゼン、p−クレゾール、トルエン、キシレン、ジエチルエーテル、グリコールモノメチルもしくはジメチルエーテル、石油エーテル、ヘプタン、ヘキサン、ペンタン、シクロヘキサン、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素、ジオキサン、テトラヒドロフラン(THF)、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ヘキサメチル−リン酸トリアミド、水、酢酸エチル、アセトン、ピリジン、トリエチルアミン、ピコリン、これらの混合物などが挙げられる。当業者は、特定の適用における使用に適した適切な流体キャリアを選択し得る。例えば、上記流体キャリアは、その揮発性(例えば、沸点)、可溶性もしくは他の物質との混和性などに基づいて、選択され得る。   Any fluid carrier may be suitable for use in the electrode composition, including an aqueous fluid carrier, a non-aqueous fluid carrier, or a combination thereof. Examples of fluid carriers that can be used in the process of the present invention include solvents (eg, benzene, p-cresol, toluene, xylene, diethyl ether, glycol monomethyl or dimethyl ether, petroleum ether, heptane, hexane, pentane, cyclohexane, methylene chloride. , Chloroform, carbon tetrachloride, dioxane, tetrahydrofuran (THF), methanol, ethanol, isopropanol, dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, hexamethyl-phosphate triamide, water, ethyl acetate, acetone, pyridine, triethylamine, picoline, mixtures thereof, etc. One skilled in the art can select a suitable fluid carrier suitable for use in a particular application, for example, the fluid carrier has its volatile (eg, boiling point), Based on such miscibility with soluble or other materials, it may be selected.

例示的実施形態において、多孔性基材は、上記充填材物質として炭酸水素アンモニウムを含み得、ヘキサンは、上記多孔性物質上での上記電極物質の形成の間に、上記電極組成物流体キャリアとして使用され得る。ヘキサンは、沸点68.8℃および気化エンタルピー330J/gを有する。図5は、(a) ヘキサンおよび(b)炭酸水素アンモニウムの蒸気圧に対するアレニウスプロットを示す。図5に示されるように、50〜60℃未満の温度では、ヘキサン蒸気圧は、炭酸水素アンモニウムの蒸気圧を超える。従って、充填材物質として炭酸水素アンモニウムを含む多孔性物質は、ヘキサンの存在下で、電極物質で処理(例えば、コーティング)され得、上記ヘキサンは、約50〜60℃未満の温度で除去されて、上記多孔性基材の上に上記電極物質を形成し得る一方で、上記充填材物質は、インタクトなままである。上記ヘキサンのエバポレーションおよび上記電極物質の形成の際に、上記温度は、60℃より高く上昇させられて、上記炭酸水素アンモニウムを除去(例えば、分解)し得、上記多孔性基材の孔を露出し得る。   In an exemplary embodiment, a porous substrate can include ammonium bicarbonate as the filler material, and hexane as the electrode composition fluid carrier during formation of the electrode material on the porous material. Can be used. Hexane has a boiling point of 68.8 ° C. and a vaporization enthalpy of 330 J / g. FIG. 5 shows an Arrhenius plot for the vapor pressure of (a) hexane and (b) ammonium bicarbonate. As shown in FIG. 5, at temperatures below 50-60 ° C., the hexane vapor pressure exceeds that of ammonium bicarbonate. Thus, a porous material comprising ammonium bicarbonate as a filler material can be treated (eg, coated) with an electrode material in the presence of hexane, the hexane being removed at a temperature below about 50-60 ° C. The electrode material may be formed on the porous substrate while the filler material remains intact. Upon evaporation of the hexane and formation of the electrode material, the temperature can be raised above 60 ° C. to remove (eg, decompose) the ammonium bicarbonate, and to open the pores of the porous substrate. Can be exposed.

本明細書で記載されるように、上記充填材物質、結合材物質、流体キャリア、ならびに上記製造プロセスと関連する他の物質は、溶解性、蒸気圧、分解温度などのような特性に基づいて、互いに関して特定の関係を有するように選択され得る。その結果、製造プロセスは、望ましい電気化学構造体を生成するために行われ得る。すなわち、上記充填材物質、結合材物質、および他の物質は、上記製造プロセスの間に、所望の物質が、物質の分解もしくは望ましくない損失を低下もしくは防止しながら、望ましくは、上記基材の上で形成されかつ/または維持され得るように、選択され得る。   As described herein, the filler material, binder material, fluid carrier, and other materials associated with the manufacturing process are based on properties such as solubility, vapor pressure, decomposition temperature, and the like. , May be selected to have a particular relationship with respect to each other. As a result, the manufacturing process can be performed to produce the desired electrochemical structure. That is, the filler material, binder material, and other materials are preferably removed during the manufacturing process while the desired material reduces or prevents degradation or undesirable loss of material. It can be selected such that it can be formed and / or maintained above.

例えば、疎水性充填材物質は、親水性結合材物質と組み合わせて使用され得る。別の例において、親水性充填材物質は、疎水性結合材物質と組み合わせて使用され得る。さらに、上記結合材および充填材物質は、上記充填材物質が、上記基材上での上記結合材物質の形成の後に、上記基材(例えば、電極)から除去され得るように、1種以上の流体キャリアと組み合わせて選択され得る。いくつかの実施形態において、上記充填材物質は、親水性物質であり、上記結合材物質は、疎水性溶媒中に可溶性である。いくつかの実施形態において、上記充填材物質は、疎水性物質であり、上記結合材物質は、親水性溶媒中に可溶性である。いくつかの場合において、上記充填材物質は、上記充填材流体キャリア中でいくらかの可溶性を示し得、上記結合材流体キャリア中で実質的に不溶性であり得る。いくつかの場合において、上記結合材物質は、上記結合材流体キャリア中でいくらか可溶性を示し得、上記充填材流体キャリア中で実質的に不溶性であり得る。   For example, a hydrophobic filler material can be used in combination with a hydrophilic binder material. In another example, a hydrophilic filler material can be used in combination with a hydrophobic binder material. Further, the binder and filler material may be one or more such that the filler material can be removed from the substrate (eg, electrode) after formation of the binder material on the substrate. In combination with other fluid carriers. In some embodiments, the filler material is a hydrophilic material and the binder material is soluble in a hydrophobic solvent. In some embodiments, the filler material is a hydrophobic material and the binder material is soluble in a hydrophilic solvent. In some cases, the filler material may exhibit some solubility in the filler fluid carrier and may be substantially insoluble in the binder fluid carrier. In some cases, the binder material may exhibit some solubility in the binder fluid carrier and may be substantially insoluble in the filler fluid carrier.

本明細書で使用される場合、「活性電極種」もしくは「電気活性種」とは、上記セルの作動の間に電気化学的反応を受ける、電極(例えば、カソード、アノード)と関連する種をいう。例えば、活性電極種は、上記電気化学的セルの充電/放電の間に酸化もしくは還元を受け得る。   As used herein, an “active electrode species” or “electroactive species” is a species associated with an electrode (eg, cathode, anode) that undergoes an electrochemical reaction during operation of the cell. Say. For example, the active electrode species can undergo oxidation or reduction during charging / discharging of the electrochemical cell.

本発明の電気化学的セルのカソードにおけるカソード活性物質として使用するのに適した電気活性物質としては、電気活性遷移金属カルコゲニド、電気活性伝導性ポリマー、電気活性硫黄含有物質、およびこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。本明細書で使用される場合、用語「カルコゲニド」とは、酸素、硫黄、およびセレンの元素のうちの1種以上を含む化合物に関する。適切な遷移金属カルコゲニドの例としては、Mn、V、Cr、Ti、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os、およびIrからなる群より選択される遷移金属の電気活性オキシド、スルフィド、およびセレニドが挙げられるが、これらに限定されない。一実施形態において、上記遷移金属カルコゲニドは、ニッケル、マンガン、コバルト、およびバナジウムの電気活性オキシド、ならびに鉄の電気活性スルフィドからなる群より選択される。一実施形態において、カソードは、以下の物質のうちの1種以上を含む:二酸化マンガン、ヨウ素、クロム酸銀、酸化銀および五酸化バナジウム、酸化銅、銅オキシホスフェート(copper oxyphosphate)、硫化鉛、硫化鉄、ビスマス酸鉛、三酸化ビスマス、二酸化コバルト、塩化銅、二酸化マンガン、および炭素。別の実施形態において、上記カソード活性層は、電気活性伝導性ポリマーを含む。適切な電気活性伝導性ポリマーの例としては、ポリピロール、ポリアニリン、ポリフェニレン、ポリチオフェン、およびポリアセチレンからなる群より選択される電気活性かつ伝導性のポリマーが挙げられるが、これらに限定されない。導電性ポリマーの例としては、ポリピロール、ポリアニリン、およびポリアセチレンが挙げられる。   Electroactive materials suitable for use as the cathode active material in the cathode of the electrochemical cell of the present invention include electroactive transition metal chalcogenides, electroactive conducting polymers, electroactive sulfur-containing materials, and combinations thereof. However, it is not limited to these. As used herein, the term “chalcogenide” relates to a compound comprising one or more of the elements oxygen, sulfur, and selenium. Examples of suitable transition metal chalcogenides include Mn, V, Cr, Ti, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Examples include, but are not limited to, electroactive oxides, sulfides, and selenides of transition metals selected from the group consisting of Os and Ir. In one embodiment, the transition metal chalcogenide is selected from the group consisting of electroactive oxides of nickel, manganese, cobalt, and vanadium, and electroactive sulfides of iron. In one embodiment, the cathode comprises one or more of the following materials: manganese dioxide, iodine, silver chromate, silver oxide and vanadium pentoxide, copper oxide, copper oxyphosphate, lead sulfide, Iron sulfide, lead bismuthate, bismuth trioxide, cobalt dioxide, copper chloride, manganese dioxide, and carbon. In another embodiment, the cathode active layer comprises an electroactive conducting polymer. Examples of suitable electroactive conducting polymers include, but are not limited to, electroactive and conducting polymers selected from the group consisting of polypyrrole, polyaniline, polyphenylene, polythiophene, and polyacetylene. Examples of conductive polymers include polypyrrole, polyaniline, and polyacetylene.

いくつかの実施形態において、本明細書に記載される電気化学的セルにおいてカソード活性物質として使用するための電気活性物質としては、電気活性硫黄含有物質が挙げられる。「電気活性硫黄含有物質」とは、本明細書で使用される場合、任意の形態で元素、硫黄を含むカソード活性物質に関し、ここで上記電気化学活性は、硫黄原子もしくは硫黄部分の酸化もしくは還元を包含する。本発明の実施において有用な上記電気活性硫黄含有物質の性質は、当該分野で公知のように、広く変動し得る。例えば、一実施形態において、上記電気活性硫黄含有物質は、元素である硫黄を含む。別の実施形態において、上記電気活性硫黄含有物質は、元素である硫黄および硫黄含有ポリマーの混合物を含む。従って、適切な電気活性硫黄含有物質としては、元素である硫黄、ならびに硫黄原子および炭素原子を含む有機物質が挙げられるが、これらに限定されず、これら物質は、ポリマーであってもよいし、そうでなくてもよい。適切な有機物質としては、ヘテロ原子、導電性ポリマーセグメント、複合材および導電性ポリマーをさらに含むものが挙げられる。   In some embodiments, electroactive materials for use as the cathode active material in the electrochemical cells described herein include electroactive sulfur-containing materials. “Electroactive sulfur-containing material” as used herein refers to a cathode active material containing element, sulfur, in any form, wherein the electrochemical activity is oxidation or reduction of sulfur atoms or sulfur moieties. Is included. The nature of the electroactive sulfur-containing material useful in the practice of the present invention can vary widely as is known in the art. For example, in one embodiment, the electroactive sulfur-containing material includes elemental sulfur. In another embodiment, the electroactive sulfur-containing material comprises a mixture of elemental sulfur and a sulfur-containing polymer. Accordingly, suitable electroactive sulfur-containing materials include, but are not limited to, the elemental sulfur and organic materials containing sulfur and carbon atoms, which may be polymers, It may not be so. Suitable organic materials include those further comprising heteroatoms, conductive polymer segments, composites and conductive polymers.

硫黄含有ポリマーの例としては、米国特許第5,601,947号および同第5,690,702号(Skotheimら);米国特許第5,529,860号および同第6,117,590号(Skotheimら);米国特許第6,201,100号(共通にかかる譲受人であるGorkovenkoらに対して2001年3月13日発行)、ならびにPCT公開番号WO 99/33130に記載されるものが挙げられる。ポリスルフィド連結を含む他の適切な電気活性硫黄含有物質は、米国特許第5,441,831号(Skotheimら);米国特許第4,664,991号(Perichaudら)、および米国特許第5,723,230号、同第5,783,330号、同第5,792,575号および同第5,882,819号(Naoiら)において記載されている。電気活性硫黄含有物質のなおさらなる例としては、例えば、米国特許第4,739,018号(Armandら);米国特許第4,833,048号および同第4,917,974号(ともにDe Jongheら);米国特許第5,162,175号および同第5,516,598号(ともにViscoら);ならびに米国特許第5,324,599号(Oyamaら)に記載されるジスルフィド基を含むものが挙げられる。   Examples of sulfur-containing polymers include US Pat. Nos. 5,601,947 and 5,690,702 (Skotheim et al.); US Pat. Nos. 5,529,860 and 6,117,590 ( U.S. Pat. No. 6,201,100 (issued March 13, 2001 to Gorkovenko et al., The commonly assigned assignee), and those described in PCT Publication No. WO 99/33130. It is done. Other suitable electroactive sulfur-containing materials comprising polysulfide linkages are described in US Pat. No. 5,441,831 (Skotheim et al.); US Pat. No. 4,664,991 (Perichaud et al.), And US Pat. No. 5,723. , 230, 5,783,330, 5,792,575 and 5,882,819 (Naoi et al.). Still further examples of electroactive sulfur-containing materials include, for example, US Pat. No. 4,739,018 (Armand et al.); US Pat. Nos. 4,833,048 and 4,917,974 (both De Jonghe). Including disulfide groups as described in US Pat. Nos. 5,162,175 and 5,516,598 (both Visco et al.); And US Pat. No. 5,324,599 (Oyama et al.) Is mentioned.

一実施形態において、カソード活性層の電気活性硫黄含有物質は、50重量%より高い硫黄を含む。別の実施形態において、上記電気活性硫黄含有物質は、75重量%より高い硫黄を含む。さらに別の実施形態において、上記電気活性硫黄含有物質は、90重量%より高い硫黄を含む。   In one embodiment, the electroactive sulfur-containing material of the cathode active layer comprises greater than 50% by weight sulfur. In another embodiment, the electroactive sulfur-containing material comprises greater than 75 wt% sulfur. In yet another embodiment, the electroactive sulfur-containing material comprises greater than 90% by weight sulfur.

本発明のカソード活性層は、(例えば、適切な量の溶媒が上記カソード活性層から除去された後に、および/または上記層が適切に硬化された後に測定される場合)約20〜100重量%の電気活性カソード物質を含み得る。一実施形態において、上記カソード活性層中の電気活性硫黄含有物質の量は、上記カソード活性層の5〜30重量%の範囲内である。別の実施形態において、上記カソード活性層中の電気活性硫黄含有物質の量は、上記カソード活性層の20%〜90重量%の範囲内である。   The cathode active layer of the present invention is about 20-100% by weight (eg, as measured after a suitable amount of solvent is removed from the cathode active layer and / or after the layer is properly cured). Of electroactive cathode materials. In one embodiment, the amount of electroactive sulfur-containing material in the cathode active layer is in the range of 5-30% by weight of the cathode active layer. In another embodiment, the amount of electroactive sulfur-containing material in the cathode active layer is in the range of 20% to 90% by weight of the cathode active layer.

カソード(ならびに本明細書に記載されるセルの他の構成要素)の調製に適した液体媒体(例えば、溶媒)の非限定的な例としては、水性液体、非水性液体、およびこれらの混合物が挙げられる。いくつかの実施形態において、液体(例えば、水、メタノール、エタノール、イソプロパノール、プロパノール、ブタノール、テトラヒドロフラン、ジメトキシエタン、アセトン、トルエン、キシレン、アセトニトリル、シクロヘキサン、およびこれらの混合物)が使用され得る。当然のことながら、他の適切な溶媒もまた、必要であれば、使用され得る。   Non-limiting examples of liquid media (eg, solvents) suitable for the preparation of the cathode (and other components of the cells described herein) include aqueous liquids, non-aqueous liquids, and mixtures thereof. Can be mentioned. In some embodiments, liquids such as water, methanol, ethanol, isopropanol, propanol, butanol, tetrahydrofuran, dimethoxyethane, acetone, toluene, xylene, acetonitrile, cyclohexane, and mixtures thereof can be used. Of course, other suitable solvents may also be used if desired.

正電極層は、当該分野で公知の方法によって調整され得る。例えば、1つの適切な方法は、(a)液体媒体中に、本明細書に記載される上記電気活性硫黄含有物質を分散もしくは懸濁する工程;(b)必要に応じて、上記工程(a)の混合物に導電性充填材および/もしくは結合材を添加する工程;(c)工程(b)から得られた組成物を混合して、上記電気活性硫黄含有物質を分散させる工程;(d)工程(c)から得られた組成物を適切な基材上にキャストする工程;ならびに(e)上記液体のうちのいくらかもしくはすべてを、工程(d)から得られた組成物から除去して、上記カソード活性層を形成する工程を包含する。   The positive electrode layer can be adjusted by methods known in the art. For example, one suitable method includes: (a) dispersing or suspending the electroactive sulfur-containing material described herein in a liquid medium; (b) optionally, the step (a A step of adding a conductive filler and / or a binder to the mixture of); (c) a step of mixing the composition obtained from step (b) to disperse the electroactive sulfur-containing material; Casting the composition obtained from step (c) onto a suitable substrate; and (e) removing some or all of the liquid from the composition obtained from step (d); Forming a cathode active layer.

本明細書に記載されるアノード活性層についての適切な負の電極物質は、リチウム金属(例えば、リチウム箔および伝導性基材上に沈着させられたリチウム、ならびにリチウム合金(例えば、リチウム−アルミニウム合金およびリチウム−スズ合金)が挙げられるが、これらに限定されない。これらは好ましい負の電極物質であるが、上記集電装置は、他のセル化学とともに使用され得る。   Suitable negative electrode materials for the anode active layer described herein include lithium metal (eg, lithium deposited on a lithium foil and conductive substrate, and lithium alloys (eg, lithium-aluminum alloys). And lithium-tin alloys), although these are preferred negative electrode materials, the current collector can be used with other cell chemistries.

負の電極物質(例えば、アルカリ金属アノード(例えば、リチウム))を基材上に沈着させるための方法としては、サーマルエバポレーション、スパッタリング、ジェット蒸着(jet vapor deposition)、およびレーザーアブレーションのような方法が挙げられ得る。あるいは、上記アノードがリチウム箔、もしくはリチウム箔および基材を含む場合、これらは、アノードを形成するために、当該分野で公知の積層プロセスによって一緒に積層され得る。   Methods for depositing negative electrode materials (eg, alkali metal anodes (eg, lithium)) on substrates include methods such as thermal evaporation, sputtering, jet vapor deposition, and laser ablation. Can be mentioned. Alternatively, if the anode includes lithium foil, or lithium foil and a substrate, they can be laminated together by a lamination process known in the art to form the anode.

正および/もしくは負の電極は、適切な電解質(例えば、米国仮特許出願第60/872,939号(2006年12月4日出願、発明の名称「Separation of Electrolytes」,Mikhaylikら)(これらは、その全体が本明細書に参考として援用される)に記載されるもの)と都合よく相互作用する1つ以上の層を必要に応じて含み得る。   The positive and / or negative electrodes are suitable electrolytes (eg, US Provisional Patent Application No. 60 / 872,939 (filed Dec. 4, 2006, entitled “Separation of Electrolytes”, Mikhaylik et al.)) Optionally, one or more layers may be included that interact conveniently with those described in (1), which is incorporated herein by reference in its entirety.

電気化学的セルもしくはバッテリー電池において使用される上記電解質は、イオンの貯蔵および輸送のための媒体として機能し得、固体電解質およびゲル電解質の特別な場合においては、これら物質は、上記アノードと上記カソードとの間のセパレーターとしてさらに機能し得る。イオンを貯蔵および輸送し得る任意の液体、固体、もしくはゲル物質は、上記物質が上記アノードおよび上記カソードに関して電気化学的にかつ化学的に非反応性であり、上記アノードと上記カソードとの間のイオン(例えば、リチウムイオン)の輸送を促進する限りにおいて、使用され得る。上記電解質は、上記アノードと上記カソードとの間の短絡を防止するために電子的に非導電性である。   The electrolytes used in electrochemical cells or battery cells can function as a medium for ion storage and transport, and in the special case of solid and gel electrolytes, these materials are the anode and the cathode. It can further function as a separator. Any liquid, solid, or gel material capable of storing and transporting ions is such that the material is electrochemically and chemically non-reactive with respect to the anode and the cathode and between the anode and the cathode. It can be used as long as it facilitates transport of ions (eg, lithium ions). The electrolyte is electronically non-conductive to prevent a short circuit between the anode and the cathode.

上記電解質は、イオン導電性を提供するための1種以上のイオン性電解質塩および1種以上の液体電解質溶媒、ゲルポリマー物質、もしくはポリマー物質を含み得る。適切な非水性電解質は、液体電解質、ゲルポリマー電解質、および固体ポリマー電解質からなる群より選択される1種以上の物質を含む有機性電解質を含み得る。リチウムバッテリーのための非水性電解質の例は、Lithium Batteries,New Materials,Developments and Perspectives,第4章,pp.137−165,Elsevier,Amsterdam(1994)においてDornineyによって記載されている。ゲルポリマー電解質および固体ポリマー電解質の例は、Lithium Batteries, New Materials, Developments and Perspectives,第3章,pp.93−136,Elsevier,Amsterdam(1994)においてAlamgirらによって記載されている。本明細書で記載されるバッテリーにおいて使用され得る不均一電解質組成物は、米国仮特許出願第60/872,939号(2006年12月4日出願)に記載されている。有用な非水性液体電解質溶媒の例としては、非水性有機溶媒(例えば、例えば、N−メチルアセトアミド、アセトニトリル、アセタール、ケタール、エステル、カーボネート、スルホン、スルファイト、スルホラン、脂肪族エーテル、環式エーテル、グライム、ポリエーテル、ホスフェートエステル、シロキサン、ジオキソラン、N−アルキルピロリドン、前述のものの置換形態、なおよびこれらのブレンドが挙げられるが、これらに限定されない。前述のもののフッ素化誘導体はまた、液体電解質溶媒として有用である。   The electrolyte can include one or more ionic electrolyte salts and one or more liquid electrolyte solvents, gel polymer materials, or polymer materials to provide ionic conductivity. Suitable non-aqueous electrolytes may include organic electrolytes that include one or more materials selected from the group consisting of liquid electrolytes, gel polymer electrolytes, and solid polymer electrolytes. Examples of non-aqueous electrolytes for lithium batteries are described in Lithium Batteries, New Materials, Developments and Perspectives, Chapter 4, pp. 137-165, Elsevier, Amsterdam (1994). Examples of gel polymer electrolytes and solid polymer electrolytes are described in Lithium Batteries, New Materials, Developments and Perspectives, Chapter 3, pp. 93-136, Elsevier, Amsterdam (1994). Heterogeneous electrolyte compositions that can be used in the batteries described herein are described in US Provisional Patent Application No. 60 / 872,939 (filed Dec. 4, 2006). Examples of useful non-aqueous liquid electrolyte solvents include non-aqueous organic solvents (eg, N-methylacetamide, acetonitrile, acetal, ketal, ester, carbonate, sulfone, sulfite, sulfolane, aliphatic ether, cyclic ether. , Glyme, polyether, phosphate ester, siloxane, dioxolane, N-alkylpyrrolidone, substituted forms of the foregoing, and blends thereof, and fluorinated derivatives of the foregoing may also be used in liquid electrolytes. Useful as a solvent.

いくつかの場合において、水性溶媒は、リチウム電池のための電解質として使用され得る。水性溶媒としては、水があげられ得、これは、他の構成要素(例えば、イオン性塩)を含み得る。上記のように、いくつかの実施形態において、上記電解質は、水酸化リチウムのような種、もしくは上記電解質における水素イオンの濃度を低下させるために上記電解質を塩基性にする他の種を含み得る。   In some cases, an aqueous solvent can be used as an electrolyte for a lithium battery. The aqueous solvent can include water, which can include other components (eg, ionic salts). As noted above, in some embodiments, the electrolyte may include a species such as lithium hydroxide, or other species that make the electrolyte basic to reduce the concentration of hydrogen ions in the electrolyte. .

液体電解質溶媒はまた、ゲルポリマー電解質、すなわち、半固体ネットワークを形成している1種以上のポリマーを含む電解質のための可塑剤として有用であり得る。有用なゲルポリマー電解質の例としては、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリアクリロニトリル、ポリシロキサン、ポリイミド、ポリホスファゼン、ポリエーテル、スルホン化ポリイミド、過フッ素化膜(NAFION樹脂)、ポリジビニルポリエチレングリコール、ポリエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジメタクリレート、前述の誘導体、前述のコポリマー、前述の架橋およびネットワーク構造、ならびに前述のブレンド、および必要に応じて、1種以上の可塑剤からなる群より選択される1種以上のポリマーを含むものが挙げられるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態において、ゲルポリマー電解質は、容積単位で、10〜20%の間、20〜40%の間、60〜70%の間、70〜80%の間、80〜90%の間、もしくは90〜95%の間の不均一電解質を含む。   Liquid electrolyte solvents can also be useful as plasticizers for gel polymer electrolytes, ie, electrolytes that include one or more polymers forming a semi-solid network. Examples of useful gel polymer electrolytes include polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile, polysiloxane, polyimide, polyphosphazene, polyether, sulfonated polyimide, perfluorinated membrane (NAFION resin), polydivinyl polyethylene glycol, polyethylene glycol One or more selected from the group consisting of diacrylate, polyethylene glycol dimethacrylate, the aforementioned derivatives, the aforementioned copolymers, the aforementioned cross-linked and network structures, and the aforementioned blends, and optionally one or more plasticizers. Although the thing containing this polymer is mentioned, It is not limited to these. In some embodiments, the gel polymer electrolyte is between 10-20%, between 20-40%, between 60-70%, between 70-80%, between 80-90% by volume. Or between 90 and 95% heterogeneous electrolyte.

いくつかの実施形態において、1種以上の固体ポリマーは、電解質を形成するために使用され得る。有用な固体ポリマー電解質の例としては、ポリエーテル、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリイミド、ポリホスファゼン、ポリアクリロニトリル、ポリシロキサン、前述の誘導体、前述のコポリマー、前述の架橋およびネットワーク構造、ならびに前述のブレンドからなる群より選択される1種以上のポリマーを含むものが挙げられるが、これらに限定されない。   In some embodiments, one or more solid polymers can be used to form the electrolyte. Examples of useful solid polymer electrolytes include polyethers, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyimides, polyphosphazenes, polyacrylonitriles, polysiloxanes, the aforementioned derivatives, the aforementioned copolymers, the aforementioned crosslinked and network structures, and the aforementioned blends. Examples include, but are not limited to, those containing one or more polymers selected from the group consisting of:

電解質溶媒、ゲル化剤、および電解質の形成について当該分野で公知のポリマーに加えて、上記電解質は、イオン電導性を増大するために当該分野でも公知の1種以上のイオン性電解質塩をさらに含み得る。   In addition to polymers known in the art for the formation of electrolyte solvents, gelling agents, and electrolytes, the electrolyte further includes one or more ionic electrolyte salts known in the art to increase ionic conductivity. obtain.

本発明の電解質において使用するためのイオン性電解質塩の例としては、LiSCN、LiBr、LiI、LiClO、LiAsF、LiSOCF、LiSOCH、LiBF、LiB(Ph)、LiPF、LiC(SOCF、およびLiN(SOCFが挙げられるが、これらに限定されない。有用であり得る他の電解質塩としては、リチウムポリスルフィド(Li)、および有機イオン性ポリスルフィドのリチウム塩(LiSR)(ここでxは、1〜20の整数であり、nは、1〜3の整数であり、Rは、有機基である)、ならびに米国特許第5,538,812号(Leeら)に記載されるものが挙げられる。 Examples of ionic electrolyte salts for use in the electrolyte of the present invention include LiSCN, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiAsF 6 , LiSO 3 CF 3 , LiSO 3 CH 3 , LiBF 4 , LiB (Ph) 4 , LiPF. 6 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , and LiN (SO 2 CF 3 ) 2 . Other electrolyte salts that may be useful include lithium polysulfide (Li 2 S x ), and lithium salt of organic ionic polysulfide (LiS x R) n, where x is an integer from 1 to 20 and n is , R is an organic group), and those described in US Pat. No. 5,538,812 (Lee et al.).

いくつかの実施形態において、電気化学的セルは、上記カソードと上記アノードとの間に挟まれたセパレーターをさらに含み得る。上記セパレーターは、上記アノードと上記カソードとを互いに分離もしくは絶縁し、短絡を防止し、上記アノードと上記カソードとの間のイオンの輸送を許容する、固体の非導電性もしくは絶縁性の物質であり得る。   In some embodiments, the electrochemical cell can further include a separator sandwiched between the cathode and the anode. The separator is a solid, non-conductive or insulating material that separates or insulates the anode and the cathode from each other, prevents short circuits, and allows the transport of ions between the anode and the cathode. obtain.

上記セパレーターの孔は、電解質で部分的にもしくは実質的に満たされ得る。セパレーターは、セルの製造の間に上記アノードと上記カソードとを挟み込む多孔性自立構造フィルムとして供給され得る。あるいは、上記多孔性セパレーター層は、例えば、PCT公開番号WO 99/33125(Carlsonら)および米国特許第5,194,341号(Bagleyら)に記載されるように、上記電極のうちの一方の表面に直接適用され得る。   The pores of the separator can be partially or substantially filled with electrolyte. The separator can be supplied as a porous self-supporting film that sandwiches the anode and cathode during the manufacture of the cell. Alternatively, the porous separator layer can be one of the above electrodes as described, for example, in PCT Publication No. WO 99/33125 (Carlson et al.) And US Pat. No. 5,194,341 (Bagley et al.). It can be applied directly to the surface.

種々のセパレーター物質が、当該分野で公知である。適切な固体多孔性セパレーター物質の例としては、ポリオレフィン(例えば、ポリエチレンおよびポリプロピレン)、ガラス繊維濾紙、およびセラミック材料が挙げられるが、これらに限定されない。本発明における使用に適したセパレーターおよびセパレーター物質のさらなる例は、微孔性キセロゲル層(例えば、微孔性偽ベーマイト層(pseudo−boehmite layer))を含むものであり、この層は、米国特許第6,153,337号および同第6,306,545号(共通の譲受人のCarlsonらによる)に記載されるように、自立構造フィルムとして、または上記電極のうちの一方の上に直接コーティング適用によってかのいずれかで適用され得る。固体電解質およびゲル電解質はまた、それらの電解質機能に加えて、セパレーターとして機能し得る。   Various separator materials are known in the art. Examples of suitable solid porous separator materials include, but are not limited to, polyolefins (eg, polyethylene and polypropylene), glass fiber filter paper, and ceramic materials. Further examples of separators and separator materials suitable for use in the present invention include microporous xerogel layers (eg, microporous pseudo-boehmite layers), which are disclosed in US Pat. As described in US Pat. Nos. 6,153,337 and 6,306,545 (commonly assigned by Carlson et al.), As a self-supporting film or directly on one of the above electrodes Can be applied either by: Solid electrolytes and gel electrolytes can also function as separators in addition to their electrolyte function.

本開示に付随する図面は、模式的であるに過ぎず、実質的に平らなバッテリーの配置を例示する。任意の電気化学的セル配置が、任意の構成において、本発明の原理を使用して構築され得ることが理解されるべきである。例えば、さらなる構成は、米国特許出願第11/400,025号(2006年4月6日出願、発明の名称「Electrode Protection in both Aqueous and Non−Aqueous Electrochemical cells, including Rechargeable Lithium Batteries」(Affinitoら))(これは、その全体が本明細書に参考として援用される)に記載されている。   The drawings accompanying this disclosure are only schematic and illustrate a substantially flat battery arrangement. It should be understood that any electrochemical cell arrangement can be constructed using the principles of the present invention in any configuration. For example, a further arrangement may be found in US patent application Ser. No. 11 / 400,025 (filed Apr. 6, 2006, entitled “Electrode Protection in both Aqueous and Non-Aqueous Electrochemical cells, Inclusion Rechargeable A et al.”). ), Which is hereby incorporated by reference in its entirety.

本発明のいくつかの実施形態が、本明細書で記載されかつ例示されてきたが、当業者は、本明細書に記載される機能を発揮し、そして/または結果および/もしくは利点のうちの1つ以上を得るために、種々の他の手段および/もしくは構造を容易に想起し、このようなバリエーションおよび/もしくは改変の各々が、本発明の範囲内にあるとみなされる。より一般に、当業者は、本明細書に記載されるすべてのパラメーター、寸法、物質および構成が、例示手あることが意味されること、および実際のパラメーター、寸法、物質、および/もしくは構成が、本発明の教示が使用される特定の適用に依存することを容易に認識する。当業者は、本明細書に記載される、本発明の特定の実施形態に対する多くの等価物を認識するかまたは単に慣用的な実験を使用して確認し得る。従って、前述の実施形態は、例示によってのみ示されること、そして添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内で、具体的に記載されかつ特許請求されているもの以外の方法で本発明が実施され得ることが理解されるべきである。本発明は、本明細書に記載される各個々の特徴、システム、物品、物質、キット、および/もしくは方法に関する。さらに、2種以上のこのような特徴、システム、物品、物質、キット、および/もしくは方法の任意の組み合わせは、このような特徴、システム、物品、物質、キット、および/もしくは方法が相互に矛盾しなければ、本発明の範囲内に含まれる。   While several embodiments of the present invention have been described and illustrated herein, those skilled in the art will perform the functions described herein and / or out of the results and / or advantages. Various other means and / or structures are readily recalled to obtain one or more, and each such variation and / or modification is considered to be within the scope of the invention. More generally, those skilled in the art will understand that all parameters, dimensions, materials and configurations described herein are illustrative and that the actual parameters, dimensions, materials and / or configurations are It will be readily appreciated that the teachings of the present invention depend on the particular application used. Those skilled in the art will recognize many equivalents to the specific embodiments of the invention described herein or may be ascertained using only routine experimentation. Accordingly, the foregoing embodiments have been shown by way of example only and the present invention may be practiced otherwise than as specifically described and claimed within the scope of the appended claims and their equivalents. It should be understood that it can be implemented. The present invention is directed to each individual feature, system, article, material, kit, and / or method described herein. Further, any combination of two or more such features, systems, articles, materials, kits, and / or methods is mutually inconsistent with such features, systems, articles, materials, kits, and / or methods. Otherwise, it is within the scope of the present invention.

不定冠詞「1つの、ある(a)」および「1つの、ある(an)」は、本明細書および特許請求の範囲において使用される場合、そうでないと明確に示されなければ、「少なくとも1つ」を意味することが理解されるべきである。   The indefinite articles “a” and “an” as used in the specification and claims refer to “at least 1” unless expressly stated otherwise. It should be understood to mean "one".

語句「および/もしくは」とは、本明細書および特許請求の範囲において使用される場合、そのように結合されている要素の「いずれかもしくは両方」、すなわち、いくつかの場合には、接続的に存在している要素を、および他の場合には、離接的に存在している要素を意味することが理解されるべきである。他の要素は、そうでないと明確に示されなければ、具体的に同定されるものに関連していようと関連していまいと、必要に応じて、「および/もしくは」文節によって具体的に同定される要素以外に存在し得る。従って、非限定的な例として、「含む」のような開放系言語と関連して使用される場合、「Aおよび/もしくはB」に対する言及は、一実施形態において、Aあり、Bなし(必要に応じてB以外の要素を含む);別の実施形態において、Bあり、Aなし(必要に応じてA以外の要素を含む);さらに別の実施形態において、AもBも両方ある(必要に応じて他の要素を含む);などに言及し得る。   The phrase “and / or” as used herein and in the claims refers to “any or both” of the elements so coupled, ie, in some cases, connective. It should be understood to mean elements that are present in, and in other cases, elements that are present in a disjunctive manner. Other elements are specifically identified by “and / or” clauses, as appropriate, whether or not related to what is specifically identified, unless explicitly stated otherwise There may be other elements than Thus, as a non-limiting example, a reference to “A and / or B” when used in connection with an open language such as “includes”, in one embodiment, is A and no B (required) In other embodiments, with B, without A (including elements other than A as needed); in yet another embodiment, both A and B are present (required) Depending on the other elements);

本明細書および特許請求の範囲において使用される場合、「もしくは、または」は、上記で定義されるように「および/もしくは」と同じ意味を有することが理解されるべきである。例えば、リスト中の項目を分離する場合に、「もしくは」もしくは「および/もしくは」は、包括的である、すなわち、少なくとも1つの包含として解釈されるものとするが、同様に、要素の数もしくはリストの1つより多いも含み、そして必要に応じて、列挙されていない事項を含むとして解釈されるものとする。ただ、そうでないと明確に示される用語(例えば、「〜のうちのただ1つ」もしくは「〜のうちの正確に1つ」)、または特許請求の範囲において使用される場合、「〜からなる」とは、要素の数もしくはリストのうちの正確に1つの要素の包含に言及する。一般に、用語「もしくは」とは、本明細書で使用される場合、排他性の用語(例えば、「いずれか一方」もしくは「〜のうちの1つ」、「〜のうちのただ1つ」もしくは「〜のうちの正確に1つ」)が先行する場合、排他的な選択肢(すなわち、「一方もしくは他方であって、両方ではない」)を示すと解釈されるものとする。「〜から本質的になる」とは、特許請求の範囲において使用される場合、特許法の分野において使用される場合とその通常の意味を有するものとする。   As used herein in the specification and in the claims, “or or” should be understood to have the same meaning as “and / or” as defined above. For example, when separating items in a list, “or” or “and / or” is intended to be inclusive, ie, interpreted as at least one inclusion, but similarly the number of elements or It shall be construed as including more than one of the lists and, where appropriate, including items not listed. However, the terms clearly indicated otherwise (eg, “only one of” or “exactly one of”), or “when used in the claims” "Refers to the inclusion of exactly one element in the number or list of elements. In general, the term “or” as used herein refers to an exclusive term (eg, “any one” or “one of”, “only one of” or “ If preceded by “exactly one of”), it is to be interpreted as indicating an exclusive option (ie, “one or the other, not both”). “Consisting essentially of” shall have its ordinary meaning as used in the claims, as used in the field of patent law.

本明細書および特許請求の範囲において使用される場合、1つ以上の要素のリストに言及して語句「少なくとも1つ」とは、要素のリストにおける要素のうちのいずれか1つ以上から選択されるが、必ずしも要素のリスト内で具体的に列挙される各々のおよびあらゆる要素のうちの少なくとも1つを含むわけではなく、要素のリストにおける要素の任意の組み合わせを排除しない少なくとも1つの要素を意味することが理解されるべきである。この定義はまた、要素が、必要に応じて、語句「少なくとも1つ」が具体的に同定される要素に関連するか関連しないかにかかわらず言及する要素のリスト内で具体的に同定される要素以外に存在し得ることを可能にする。従って、非限定的例として、「AおよびBのうちの少なくとも一方」(または、等価なことには、「AもしくはBのうちの少なくとも一方」、または等価なことには、「Aおよび/もしくはBのうちの少なくとも一方」)は、一実施形態においては、少なくとも1つのA(必要に応じて、1つより多いAを含む)とBが存在しない(および必要に応じて、B以外の要素を含む);別の実施形態においては、少なくとも1つのB(必要に応じて、1つより多いBを含む),とAが存在しない(および必要に応じて、A以外の要素を含む);さらに別の実施形態においては、少なくとも1つのA(必要に応じて、1つより多いAを含む)および少なくとも1つのB(必要に応じて1つより多いBを含む)(および必要に応じて、他の要素を含む);などに言及し得る。   As used herein and in the claims, the phrase “at least one” refers to a list of one or more elements and is selected from any one or more of the elements in the list of elements. Does not necessarily include at least one of each and every element specifically recited in the list of elements, but means at least one element does not exclude any combination of elements in the list of elements It should be understood that This definition is also specifically identified in the list of elements to which an element refers, regardless of whether the phrase “at least one” is related to or not related to the specifically identified element. Allows it to exist outside of elements. Thus, as a non-limiting example, “at least one of A and B” (or equivalently, “at least one of A or B”, or equivalently, “A and / or At least one of B "), in one embodiment, includes at least one A (optionally including more than one A) and no B (and optionally other than B) In another embodiment, at least one B (optionally including more than one B), and A is absent (and optionally includes elements other than A); In yet another embodiment, at least one A (optionally including more than one A) and at least one B (optionally including more than one B) (and optionally) , Including other elements) Mention may be made to such.

特許請求の範囲および上記の明細書において、すべての接続語句(transitional phrase)(例えば、「〜を含む(comprising)」、「〜を含む(including)」、「〜を有する(carrying)」、「〜を有する(having)」、「〜を含む(containing)」、「〜を包含する(involving)」、「〜を保持する(holding)」などは、開放系であることが理解されるべきであり、すなわち、〜が挙げられるが、これらに限定されないことを意味することが理解されるべきである。ただ、接続する語句「〜からなる(consisting of)」および「〜から本質的になる(consisting essentially of )」は、米国特許庁審査基準第2111.03節に記載されるように、それぞれ、閉鎖系もしくは半閉鎖系の接続語句であるとする。   In the claims and in the specification above, all connected phrases (eg, “comprising”, “including”, “carrying”, “ It should be understood that “having”, “containing”, “involving”, “holding” and the like are open systems. It is to be understood that it means, but not limited to, that is, but consists essentially of the connected phrases “consisting of” and “consisting of ( consisting essentially of) " As described in Section 2111.03, each is a closed or semi-closed connection phrase.

(実施例1)
以下の実施例は、本発明の一実施形態に従って、多孔性炭素物質の孔内での充填材物質の形成を記載する。
Example 1
The following example describes the formation of a filler material within the pores of a porous carbon material, according to one embodiment of the present invention.

充填材物質は、上記多孔性炭素物質の孔内に充填材物質を繰り返し溶解しかつ沈殿させるために、サーマルサイクリングによって多孔性炭素物質上に形成した。この実施例において、炭酸アンモニウムもしくは炭酸水素アンモニウムを、上記充填材物質として使用した。なぜなら、各々が、水中で正の温度溶解性勾配を示す、すなわち、上記炭酸アンモニウムもしくは炭酸水素アンモニウムの水中での溶解度は、温度が上昇するにつれて増大し、温度が低下するにつれて減少するからである。図4は、(a)温度の関数としての炭酸水素アンモニウムの水中での溶解度、および(b)炭酸水素アンモニウムの水中でのサーマルサイクリング線図のグラフを示す。   The filler material was formed on the porous carbon material by thermal cycling to repeatedly dissolve and precipitate the filler material in the pores of the porous carbon material. In this example, ammonium carbonate or ammonium bicarbonate was used as the filler material. Because each exhibits a positive temperature solubility gradient in water, i.e., the solubility of the ammonium carbonate or ammonium bicarbonate in water increases with increasing temperature and decreases with decreasing temperature. . FIG. 4 shows graphs of (a) ammonium bicarbonate solubility in water as a function of temperature, and (b) ammonium bicarbonate thermal cycling diagram in water.

図4Bにおけるサーマルサイクリング線図によれば、炭酸アンモニウムもしくは炭酸水素アンモニウムの水溶液を、上記多孔性炭素物質と接触させ、約50℃へと加熱し、上記炭素孔を上記溶液で満たした。次いで、上記溶液温度を、ほぼ0℃へと低下させ、上記充填材物質を上記炭素孔内に沈殿させた。上記プロセスを2〜3回繰り返して、上記孔内に所望の量の充填材物質を沈着させた。上記多孔性炭素物質に対して、約75〜90重量%の充填材含有量が達成された。   According to the thermal cycling diagram in FIG. 4B, an aqueous solution of ammonium carbonate or ammonium bicarbonate was brought into contact with the porous carbon material and heated to about 50 ° C. to fill the carbon pores with the solution. The solution temperature was then reduced to approximately 0 ° C. and the filler material was precipitated in the carbon pores. The above process was repeated 2-3 times to deposit the desired amount of filler material in the pores. A filler content of about 75-90% by weight with respect to the porous carbon material was achieved.

(実施例2)
以下の実施例において、電気化学的セルを、本明細書で記載されるように、充填材物質および可溶性結合材物質を使用して調製し、その硫黄比電気容量を測定した。
(Example 2)
In the following examples, an electrochemical cell was prepared using a filler material and a soluble binder material as described herein, and its sulfur specific capacitance was measured.

XE2炭素(11.1重量%)および炭酸水素アンモニウム(88.9重量%)を含む複合材を、XE2を、50℃以上において炭酸水素アンモニウムの飽和溶液に添加することによって調製した。上記混合物を、次いで、0℃へと冷却し、NHHCOを、上記炭素孔に沈殿させた。上記沈殿したNHHCOを濾過して、上記XE2複合材を提供し、次いで、これを、エタノールで洗浄した。次いで、上記複合材(21.37g)を、33.3gの、ヘキサン中の3重量% EPDMN結合材の溶液および6.63gの硫黄粉末と混合した。さらに35.3gのヘキサンを、上記スラリー混合物に添加し、次いで、これを、バイアル中で、40分間にわたってステンレス鋼のボールでミルした。 A composite containing XE2 carbon (11.1 wt%) and ammonium bicarbonate (88.9 wt%) was prepared by adding XE2 to a saturated solution of ammonium bicarbonate above 50 ° C. The mixture was then cooled to 0 ° C. and NH 4 HCO 3 was precipitated into the carbon pores. The precipitated NH 4 HCO 3 was filtered to provide the XE2 composite, which was then washed with ethanol. The composite (21.37 g) was then mixed with 33.3 g of a 3 wt% EPDMN binder solution in hexane and 6.63 g of sulfur powder. An additional 35.3 g of hexane was added to the slurry mixture, which was then milled with stainless steel balls in a vial for 40 minutes.

上記カソードをコーティングするために、上記ミルしたスラリー混合物を、炭素コーティングされた12ミクロンのAl基材(AL Rexam primer)上に手で引き延ばし、上記コーティングされたカソードを、オーブン中で+70℃において1時間にわたって乾燥させて、上記溶媒および充填材物質を除去した。上記得られた複合材は、硫黄(66.3重量%)、XE2(23.7重量%)、およびEPDMN(10重量%)を含んでいた。上記カソードは、良好な接着および密着を有した。上記硫黄コーティングされた負荷は、5.18mg/cmであった。 To coat the cathode, the milled slurry mixture was manually drawn onto a carbon-coated 12 micron Al substrate (AL Rexam primer), and the coated cathode was placed in an oven at + 70 ° C. for 1 Dry over time to remove the solvent and filler material. The resulting composite contained sulfur (66.3% by weight), XE2 (23.7% by weight), and EPDMN (10% by weight). The cathode had good adhesion and adhesion. The sulfur coated load was 5.18 mg / cm 2 .

次いで、電気化学的セルを、上記電極(活性面積33cm)として上記のコーティングされたカソードおよび6ミルのLi箔、9 m Tonenセパレーターおよび1.02g電解質を使用して組み立てた。上記電解質は、特定の実験に依存して、種々のおよび少量のCFSONLiおよびLiNOとともに、1,3−ジオキソラン(DOL)および1−メトキシ−2−エトキシエタン(MEE)を主に含んでいた。1つの特定の実施形態において、上記電解質は、69.16重量% DOL、21.34重量% MEE、6.72重量%(CFSONLi、および2.77重量% LiNOを含んでいた。上記セルを、15mA 1.7Vへと放電および15mA 2.5Vへと充電においてサイクルさせた。5回目のサイクルにおける上記硫黄比電気容量は、1048mAh/gであり、40回目のサイクルでは、1011mAh/gであった。 An electrochemical cell was then assembled using the coated cathode and 6 mil Li foil, 9 m Tonen separator and 1.02 g electrolyte as the electrode (active area 33 cm 2 ). Depending on the particular experiment, the electrolyte can contain 1,3-dioxolane (DOL) and 1-methoxy-2-ethoxyethane (MEE) with various and small amounts of CF 3 SO 2 ) 2 NLi and LiNO 3 Mainly included. In one particular embodiment, the electrolyte is 69.16 wt% DOL, 21.34 wt% MEE, 6.72 wt% (CF 3 SO 2) 2 NLi, and 2.77 wt% LiNO 3 contains It was out. The cell was cycled on discharging to 15 mA 1.7V and charging to 15 mA 2.5V. The sulfur specific electric capacity in the fifth cycle was 1048 mAh / g, and in the 40th cycle, it was 1011 mAh / g.

コントロール実験として、同じ電気化学的セルを、XE2−炭酸水素アンモニウム複合材の代わりに、充填材なしの純粋なXE2を使用して、上記スラリーを調製して上記カソードをコーティングしたことを除いて、上記のように調製した。上記カソードコーティングは、上記XE2基材に対して非常に不十分な接着および密着を有した。上記カソードは、2.17mg/cmの硫黄負荷を有し、上記のように、電気化学的セルへと組み立てた。上記硫黄比電気容量は、5回目のサイクルにおいて937mAh/gであり、40回目のサイクルにおいて845mAh/gに低下した。 As a control experiment, the same electrochemical cell was used, except that pure XE2 without filler was used instead of XE2-ammonium bicarbonate composite to prepare the slurry and coat the cathode. Prepared as above. The cathode coating had very poor adhesion and adhesion to the XE2 substrate. The cathode had a sulfur load of 2.17 mg / cm 2 and was assembled into an electrochemical cell as described above. The sulfur specific electric capacity was 937 mAh / g in the fifth cycle and decreased to 845 mAh / g in the 40th cycle.

(実施例3)
以下の実施例において、電気化学的セルを、本明細書で記載されるように、充填材物質および可溶性結合材物質を使用して調製し、その硫黄比電気容量を評価した。
Example 3
In the following examples, an electrochemical cell was prepared using a filler material and a soluble binder material as described herein, and its sulfur specific capacity was evaluated.

15.7重量%のXE2含有量および84.3重量%の炭酸水素アンモニウム含有量を有するXE2−炭酸アンモニウム(NHCO複合材を、実施例2に記載される方法に従って調製した。次いで、上記複合材を、33.3gの、ヘキサン中の3重量% EPDMN結合材の溶液および6.63gの硫黄粉末と混合した。次いで、上記XE2−(NHCO複合材を、実施例2に記載されるように、9.97重量% 硫黄、22.06重量% XE2−(NHCO複合材、および1.5重量% EPMN可溶性結合材を含む、ミルしたヘキサンスラリーを使用して、コーティングした。上記コーティングしたカソードを、オーブン中、+70℃において1時間にわたって乾燥させて、上記溶媒および充填材物質を除去した。上記得られた複合材は、硫黄(66.3重量%)、XE2(23.7重量%)、EPDMN(10重量%)を含んでいた。上記カソードは、良好な接着および密着を有していた。上記硫黄コーティングされた負荷は、4.3mg/cmであった。 An XE2-ammonium carbonate (NH 4 ) 2 CO 3 composite having an XE2 content of 15.7 wt% and an ammonium bicarbonate content of 84.3% wt was prepared according to the method described in Example 2. The composite was then mixed with 33.3 g of a 3 wt% EPDMN binder solution in hexane and 6.63 g of sulfur powder. The XE2- (NH 4 ) 2 CO 3 composite was then treated with 9.97 wt% sulfur, 22.06 wt% XE2- (NH 4 ) 2 CO 3 composite, as described in Example 2. Coated using a milled hexane slurry containing and 1.5 wt% EPMN soluble binder. The coated cathode was dried in an oven at + 70 ° C. for 1 hour to remove the solvent and filler material. The obtained composite material contained sulfur (66.3% by weight), XE2 (23.7% by weight), and EPDMN (10% by weight). The cathode had good adhesion and adhesion. The sulfur coated load was 4.3 mg / cm 2 .

次いで、電気化学的セルを、上記のコーティングされたカソードを使用して、実施例2と同様に組み立てた。上記セルを、実施例2と類似の条件でサイクルさせた。5回目のサイクルでの硫黄比電気容量は、1214mAh/gであった。   An electrochemical cell was then assembled as in Example 2 using the coated cathode described above. The cell was cycled under conditions similar to Example 2. The sulfur specific electric capacity in the fifth cycle was 1214 mAh / g.

コントロール実験として、XE2−炭酸水素アンモニウム複合材の代わりに、充填材なしの純粋なXE2を使用して、上記スラリーを調製して上記カソードをコーティングしたことを除いて、同じ電気化学的セルを調製した。上記カソードコーティングは、上記XE2基材に対して低い硫黄負荷および非常に不十分な接着および密着を有し、電気化学的セルへと組み立てた場合、実施例2に記載されるコントロール実験と同様に、不十分な硫黄比電気容量を示した。   As a control experiment, the same electrochemical cell was prepared except that pure XE2 without filler was used instead of XE2-ammonium bicarbonate composite, except that the slurry was prepared and the cathode was coated. did. The cathode coating has a low sulfur load and very poor adhesion and adhesion to the XE2 substrate, and when assembled into an electrochemical cell, similar to the control experiment described in Example 2 Insufficient sulfur specific capacity.

(実施例4)
以下の実施例において、電気化学的セルを、本明細書で記載されるように、充填材物質および可溶性結合材物質を使用して調製し、その硫黄比電気容量を評価した。
Example 4
In the following examples, an electrochemical cell was prepared using a filler material and a soluble binder material as described herein, and its sulfur specific capacity was evaluated.

28.5重量%のXE2含有量および71.5%の水含有量を有するXE2−水複合材を、炭素を沸騰水に添加し、撹拌子、室温へと冷却することによって調製した。次いで、上記XE2−HO複合材を、9.97gのXE2−HO複合材、7.96g 硫黄、40gの、ヘキサン中の3重量% EPDMN溶液、および10g ヘキサンを含む、ミルしたヘキサンスラリー混合物を使用してコーティングした。上記コーティングしたカソードを、+70℃においてオーブン中1時間にわたって乾燥させて、上記溶媒を除去し、次いで、1時間にわたって100℃において、充填材物質を除去した。上記得られた複合材は、硫黄(66.3重量%)、XE2(23.7重量%)、EPDMN(10重量%)を含んでいた。上記カソードは、良好な接着および密着を有していた。上記硫黄コーティングした負荷は、3.4mg/cmであった。 An XE2-water composite having an XE2 content of 28.5 wt% and a water content of 71.5% was prepared by adding carbon to boiling water and cooling to a stir bar, room temperature. Then, the XE2-H 2 O composite, XE2-H 2 O composite of 9.97 g, 7.96 g of sulfur, of 40 g, 3 wt% EPDMN solution in hexane, and 10g of hexane were mill hexane The slurry mixture was used for coating. The coated cathode was dried in an oven at + 70 ° C. for 1 hour to remove the solvent, and then the filler material was removed at 100 ° C. for 1 hour. The obtained composite material contained sulfur (66.3% by weight), XE2 (23.7% by weight), and EPDMN (10% by weight). The cathode had good adhesion and adhesion. The sulfur coated load was 3.4 mg / cm 2 .

次いで、電気化学的セルを組み立て、実施例2と同様にサイクルさせた。5回目のサイクルでは、硫黄比電気容量は1070mAh/gであり、40回目のサイクルでは、947mAh/gであった。   The electrochemical cell was then assembled and cycled as in Example 2. In the fifth cycle, the sulfur specific electric capacity was 1070 mAh / g, and in the 40th cycle, it was 947 mAh / g.

コントロール実験として、同じ電気化学的セルを、XE2−水複合材の代わりに、充填材なしの純粋なXE2を使用して、上記スラリーを調製し上記カソードをコーティングしたことを除いて、上記のように調製した。上記カソードコーティングは、上記XE2基材に対して低い硫黄負荷および非常に不十分な接着および密着を有し、電気化学的セルへと組み立てた場合、実施例2に記載されるコントロール実験と同様に、不十分な硫黄比電気容量を示した。   As a control experiment, the same electrochemical cell was used as described above, except that pure XE2 without filler was used instead of XE2-water composite to prepare the slurry and coat the cathode. Prepared. The cathode coating has a low sulfur load and very poor adhesion and adhesion to the XE2 substrate, and when assembled into an electrochemical cell, similar to the control experiment described in Example 2 Insufficient sulfur specific capacity.

(実施例5)
以下の実施例において、上記充填材物質が炭素多孔性および表面領域を保護する能力を研究した。
(Example 5)
In the following examples, the filler material was studied for its ability to protect carbon porosity and surface area.

多孔性XE2炭素を、(1)ヘキサン中にEPMNを含むスラリー(例えば、充填材物質なし)または(2)炭酸水素アンモニウム充填材物質、およびヘキサン中のEPMNを含むスラリーのいずれかを使用して、実施例2に記載されるようにコーティングした。上記コーティングしたXE2炭素を、室温において乾燥させ、次いで、70℃へと加熱して、上記溶媒および充填材物質を除去し、炭素 対 結合材の重量比が3:1のコーティングされたXE2炭素を生成した。   Porous XE2 carbon can be obtained using either (1) a slurry containing EPMN in hexane (eg, no filler material) or (2) a slurry containing ammonium bicarbonate filler material and EPMN in hexane. Coated as described in Example 2. The coated XE2 carbon is dried at room temperature, then heated to 70 ° C. to remove the solvent and filler material, and coated XE2 carbon with a 3: 1 carbon to binder weight ratio is obtained. Generated.

BET表面積測定を、上記乾燥XE2炭素サンプルに対して行った。結合材の非存在下で、ヘキサンで処理したXE2炭素サンプルは、977m/gの表面積を有した一方で、上記結合材溶液で処理した保護されていないXE2炭素サンプルは、96m/gの低下した表面性を示す。上記結合材溶液で処理したXE2−NHHCO複合材物質は、319m/gの表面積を保持した。 BET surface area measurements were made on the dried XE2 carbon sample. In the absence of binder, the XE2 carbon sample treated with hexane had a surface area of 977 m 2 / g, while the unprotected XE2 carbon sample treated with the binder solution was 96 m 2 / g. Shows reduced surface properties. The XE2-NH 4 HCO 3 composite material treated with the binder solution retained a surface area of 319 m 2 / g.

これらの測定値は、上記充填材物質が、上記XE2炭素サンプルの孔の保護物質として作用することを示した。   These measurements indicated that the filler material acts as a pore protector for the XE2 carbon sample.

(実施例6)
2つの電気化学的セルAおよびBを、実施例3に記載される方法を使用して調製した。セルAは、放電電流密度0.5mA/cmおよび充電電流密度0.5mA/cmにおいてサイクルさせた。セルBについては、放電電流密度0.5mA/cmおよび充電電流密度0.5mA/cmを最初の5サイクルにわたって適用した。セルBの以下の3サイクルについては、放電電流密度1.0mA/cmおよび充電電流密度0.5mA/cmを適用した。
(Example 6)
Two electrochemical cells A and B were prepared using the method described in Example 3. Cell A was cycled at a discharge current density of 0.5 mA / cm 2 and a charge current density of 0.5 mA / cm 2 . For cell B, a discharge current density of 0.5 mA / cm 2 and a charge current density of 0.5 mA / cm 2 were applied over the first 5 cycles. For the following three cycles of cell B, a discharge current density of 1.0 mA / cm 2 and a charge current density of 0.5 mA / cm 2 were applied.

図6は、セルAおよびセルBのサイクル数の関数として、上記比電気容量を示す。セルAは、1160〜1260mAh/gの比電気容量、または最初の8サイクルについては、69〜75%の硫黄利用を与えた。セルBは、940mAh/gの比電気容量、または放電電流密度1.0mA/cmにおいて56%の硫黄利用を与えた。 FIG. 6 shows the specific capacitance as a function of the number of cycles in cell A and cell B. Cell A gave a specific capacity of 1160-1260 mAh / g, or 69-75% sulfur utilization for the first 8 cycles. Cell B provided a specific electrical capacity of 940 mAh / g, or 56% sulfur utilization at a discharge current density of 1.0 mA / cm 2 .

(実施例7)
以下の実施例において、いくつかの電気化学的セルを、本明細書で記載されるように、多孔性基材および可溶性結合材物質上に存在する液体充填材物質で調製したカソードを用いて調製した。これら電気化学的セルを、次いで、多孔性基材および可溶性結合材物質を有するが、上記多孔性基材上に適用された液体充填材物質を有さないカソードを使用して調製した実質的に類似のセルと比較した。これら電気化学的セルの比電気容量を、いくつかの放電電流において比較した。この実施例において使用した液体充填材はオクタンであり、充填材を、上記の技術に類似の飽和方法を使用して、上記多孔性基材に適用した。
(Example 7)
In the following examples, several electrochemical cells are prepared using a cathode prepared with a liquid filler material present on a porous substrate and a soluble binder material, as described herein. did. These electrochemical cells were then prepared using a cathode having a porous substrate and a soluble binder material, but having no liquid filler material applied on the porous substrate. Comparison with similar cells. The specific capacities of these electrochemical cells were compared at several discharge currents. The liquid filler used in this example was octane, and the filler was applied to the porous substrate using a saturation method similar to the technique described above.

130gのVulcan炭素粉末を、金属シーブに入れた。上記シーブメッシュは、上記シーブを通して物質の損失なく、上記炭素粉末を維持するのに十分小さい。次いで、このシーブを、ガラスデシケーター中に入れ、数gの乾燥剤物質の上につるした。次いで、上記容器を、通常の機械式粗ポンプ(mechanical roughing pump)によって脱気した;上記容器を、数分間、この方法によってガスをパージした、上記炭素粉末を、脱気した容器中に一晩(約16時間)静置させた。次いで、上記デシケーターを乾燥雰囲気中で開け、上記炭素を含むシーブを取り出した。上記乾燥剤を、室温において70gのオクタンと交換し、マグネチックスターラーバーを、上記容器の底に入れた。上記シーブ中の炭素を、上記デシケーター中に入れ替え、上記容器を、数分間機械式粗ポンプを使用して、再び脱気した。いったん上記容器を脱気したら、これを、磁性式攪拌/加熱プレート上に置き、上記オクタンを、もっとも遅い設定で攪拌した。次いで、上記炭素を静置して、上記オクタンを2日間にわたって雰囲気から吸収させた。3日目に、上記攪拌/加熱プレートにおける加熱要素をオンにして、上記容器の温度を80℃に上昇させて、蒸気からのオクタン吸収の速度を増大させた。いったん上記デシケーターの底の目に見える液体がなくなったら、上記炭素を取り出し、上記カソードスラリーを調製するために適切に使用した。   130 g of Vulcan carbon powder was placed in a metal sieve. The sieve mesh is small enough to maintain the carbon powder without material loss through the sieve. The sieve was then placed in a glass desiccator and hung on a few grams of desiccant material. The vessel was then degassed by a conventional mechanical roughing pump; the vessel was purged of gas by this method for several minutes, and the carbon powder was left in the degassed vessel overnight. It was allowed to stand (about 16 hours). Next, the desiccator was opened in a dry atmosphere, and the carbon-containing sheave was taken out. The desiccant was replaced with 70 g octane at room temperature and a magnetic stirrer bar was placed at the bottom of the vessel. The carbon in the sieve was replaced in the desiccator and the vessel was degassed again using a mechanical coarse pump for several minutes. Once the vessel was degassed, it was placed on a magnetic stirring / heating plate and the octane was stirred at the slowest setting. The carbon was then allowed to stand and the octane was absorbed from the atmosphere for 2 days. On the third day, the heating element in the stirring / heating plate was turned on and the temperature of the vessel was raised to 80 ° C. to increase the rate of octane absorption from the vapor. Once there was no visible liquid at the bottom of the desiccator, the carbon was removed and used appropriately to prepare the cathode slurry.

上記オクタン充填炭素を、47.5重量% 水を含む2156.3gの溶媒、34.4gのPVOH、および178.8gの硫黄の溶液と混合し、これを、25分間にわたってミルした。いったん上記炭素がこの溶液と混合されたら、それらを、さらに5分間にわたって一緒にミルして、13.75% 固体スラリーを作った。このスラリーを、大気圧スロットダイコーター(atmospheric slot die coater)を使用して基材上にコーティングし、次いで、IRオーブンを使用して約100℃において約3分間にわたって乾燥させた。上記得られた乾燥カソードは、52重量% 硫黄、38重量% Vulcan炭素および10重量% PVOHを含んでいた。上記カソードの負荷は、1.85mg/cmであった。コントロールカソードを、スラリーとしてVulcan炭素を使用してこれらを材料供給器から受け取った以外は、上記のように調製した。上記コントロールカソードのために調製したスラリーに、上記のように同じミル手順、混合手順、およびコーティング手順のすべてを行った。 The octane-filled carbon was mixed with a solution of 2156.3 g solvent containing 47.5 wt% water, 34.4 g PVOH, and 178.8 g sulfur, which was milled for 25 minutes. Once the carbons were mixed with this solution, they were milled together for an additional 5 minutes to make a 13.75% solid slurry. The slurry was coated onto the substrate using an atmospheric slot die coater and then dried at about 100 ° C. for about 3 minutes using an IR oven. The resulting dry cathode contained 52 wt% sulfur, 38 wt% Vulcan carbon and 10 wt% PVOH. The cathode load was 1.85 mg / cm 2 . Control cathodes were prepared as described above except that they were received from the material supplier using Vulcan carbon as the slurry. The slurry prepared for the control cathode was subjected to the same mill procedure, mixing procedure, and coating procedure as described above.

上記の両方のカソードを使用し、3ミル Li箔を向かい合わせ、9μm Tonenセパレーターを使用して、電気化学的セルを製造した。いくつかの電気化学的セルを、液体充填材で調製し、いくつかを、液体充填材なしで調製した。いくつかの実験を行い、ここで種々の電気化学的セルを、変動する条件の電解質を使用して調製した。セルを、異なる特定の条件において、制限されかつ種々の量のLiイミド、LiNO、硝酸グアニジン、および硝酸ピリジンとともに、主に1,3 ジオキソラン(DOL)およびジメトキシエタン(DME)を含む7.6gの電解質溶液で各々満たした。類似の組成の30個の電気化学的セルを、以下の表に示されるように、6群で試験した。5個のセルの各群を、放電電流が500mA、2.2A、もしくは4.4Aのいずれか、2.5Vから1.7Vへ、続いて、315mAにおいて2.5Vへの充電でサイクルさせた。 An electrochemical cell was fabricated using both cathodes described above, 3 mil Li foil facing each other, and using a 9 μm Tonen separator. Some electrochemical cells were prepared with a liquid filler and some were prepared without a liquid filler. Several experiments were performed where various electrochemical cells were prepared using varying conditions of the electrolyte. The cell is 7.6 g containing mainly 1,3 dioxolane (DOL) and dimethoxyethane (DME) with limited and varying amounts of Liimide, LiNO 3 , guanidine nitrate and pyridine nitrate at different specific conditions. Each was filled with an electrolyte solution. Thirty electrochemical cells of similar composition were tested in 6 groups as shown in the table below. Each group of five cells was cycled with a discharge current of either 500 mA, 2.2 A, or 4.4 A from 2.5 V to 1.7 V, followed by charging to 2.5 V at 315 mA. .

図7は、液体充填材としてオクタンを使用して調製されたセルのサイクル数の関数としての、(a)500mA(群1)、(b)2.2A(群2)、および(c)4.4A(群3)の放電電流において、ならびに液体充填材としてのオクタンなしで調製されたセルの群については、(d)500mA(群4)、(e)2.2A(群5)、および(f)4.4A(群6)の放電電流での、平均比電気容量のプロットを示す。上記多孔性基材に適用された液体充填材系を使用して調製されたカソードで製造したセルは、放電電流がそれぞれ、500mA、2.2Aおよび4.4Aで、10回目の放電において、1087mAh/g硫黄比電気容量、1005mAh/g硫黄比電気容量、および920mAh/g硫黄比電気容量を有した。上記多孔性基材に適用された液体充填材系なしで調製されたカソードから製造したセルは、放電電流がそれぞれ、500mA、2.2Aおよび4.4Aで、10回目の放電において、1089mAh/g硫黄 比電気容量、929mAh/g硫黄 比電気容量、および717mAh/g硫黄 比電気容量を有した。図7に示されるように、液体充填材としてオクタンを使用して調製されたセルは、液体充填材なしで調製された本質的に同じセルと比較して、高い放電電流において改善された性能を示した。 FIG. 7 shows (a) 500 mA (group 1), (b) 2.2A (group 2), and (c) 4 as a function of the number of cycles for cells prepared using octane as the liquid filler. For a group of cells prepared at a discharge current of .4 A (group 3) and without octane as a liquid filler, (d) 500 mA (group 4), (e) 2.2 A (group 5), and (F) A plot of average specific capacitance at a discharge current of 4.4A (Group 6). Cells made with cathodes prepared using the liquid filler system applied to the porous substrate had discharge currents of 500 mA, 2.2 A and 4.4 A, respectively, and 1087 mAh at the 10th discharge. / G sulfur specific capacity, 1005 mAh / g sulfur specific capacity, and 920 mAh / g sulfur specific capacity. Cells made from cathodes prepared without the liquid filler system applied to the porous substrate had discharge currents of 500 mA, 2.2 A and 4.4 A, respectively, and 1089 mAh / g in the 10th discharge. It had a sulfur specific capacity, a 929 mAh / g sulfur specific capacity, and a 717 mAh / g sulfur specific capacity. As shown in FIG. 7, a cell prepared using octane as the liquid filler has improved performance at high discharge currents compared to essentially the same cell prepared without the liquid filler. Indicated.

Claims (18)

電極を形成するための方法であって、該方法は、
多孔性物質の表面上および/または孔内に充填材物質を形成する工程であって、ここで該多孔性物質は、多孔性炭素を含む、工程;
該多孔性物質の該表面上および/または該孔内に該充填材物質を形成した後に、該多孔性物質の少なくとも部分の上に電極物質を形成する工程であって、ここで該電極物質は、活性電極種および結合材物質を含む、工程;ならびに
該充填材物質を、該多孔性物質から除去し、それによって、該電極を形成する工程、
を包含する、方法。
A method for forming an electrode comprising:
Forming a filler material on the surface of the porous material and / or in the pores , wherein the porous material comprises porous carbon;
After forming the filler material on the surface of the porous material and / or within the pores, comprising the steps of forming an electrode material on the at least a portion of the porous material, wherein the electrode material Comprising an active electrode species and a binder material; and removing the filler material from the porous material, thereby forming the electrode;
Including the method.
前記結合材物質および前記活性電極種は、該結合材物質、該活性電極種、および流体キャリアを含む混合物からの前記多孔性物質に適用され、該結合材物質は、該流体キャリア中に少なくとも部分的に可溶性である、請求項1に記載の方法。 The binder material and the active electrode species are applied to the porous material from a mixture comprising the binder material, the active electrode species, and a fluid carrier, wherein the binder material is at least partially in the fluid carrier. The method of claim 1, which is soluble in nature. 前記充填材物質は、親水性物質であり、前記結合材物質は、疎水性溶媒に可溶性である、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the filler material is a hydrophilic material and the binder material is soluble in a hydrophobic solvent. 前記充填材物質は、疎水性物質であり、前記結合材物質は、親水性溶媒に可溶性である、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the filler material is a hydrophobic material and the binder material is soluble in a hydrophilic solvent. 前記結合材物質は、該結合材物質が実質的に可溶性である溶媒中に提供される、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the binder material is provided in a solvent in which the binder material is substantially soluble. 前記除去する工程は、前記多孔性物質を加熱する工程を包含する、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the removing includes heating the porous material. 前記充填材物質を形成する前に、前記多孔性物質の少なくとも一部の上にポリマー物質を形成する工程をさらに包含する、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, further comprising forming a polymer material on at least a portion of the porous material prior to forming the filler material. 前記ポリマー物質は、ポリ(エチレングリコール)コーティングである、請求項に記載の方法。 The method of claim 7 , wherein the polymeric material is a poly (ethylene glycol) coating. 前記充填材物質は固体である、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the filler material is a solid. 前記充填材物質は、液体である、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the filler material is a liquid. 前記充填材物質は、オクタン、炭酸アンモニウム、もしくは炭酸水素アンモニウムである、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the filler material is octane, ammonium carbonate, or ammonium bicarbonate. 前記結合材物質は、ポリマー物質である、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the binder material is a polymeric material. 前記結合材物質は、ポリ(エチレン−co−プロピレン−co−5−メチレン−2−ノルボルネン)(EPMN)である、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the binder material is poly (ethylene-co-propylene-co-5-methylene-2-norbornene) (EPMN). 前記活性電極種は、硫黄である、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the active electrode species is sulfur. 前記電極は、少なくとも1.5mg/cmの硫黄負荷を有する、請求項14に記載の方法。 The method of claim 14 , wherein the electrode has a sulfur load of at least 1.5 mg / cm 2 . 前記電極は、少なくとも2.5mg/cmの硫黄負荷を有する、請求項14に記載の方法。 The method of claim 14 , wherein the electrode has a sulfur load of at least 2.5 mg / cm 2 . 前記電極は、少なくとも5.0mg/cmの硫黄負荷を有する、請求項14に記載の方法。 The method of claim 14 , wherein the electrode has a sulfur load of at least 5.0 mg / cm 2 . 電極を形成するための方法であって、該方法は、
多孔性炭素を含む多孔性物質と、充填材物質を含む充填材溶液とを、該充填材物質が該多孔性物質の表面上および/または孔内にコーティングを形成するように接触させ、第1のコーティングされた多孔性物質を生成する工程;
該第1のコーティングされた多孔性物質と、活性電極種および結合材物質を含む電極物質とを、該電極物質が、該多孔性物質の少なくとも部分の上にコーティングを形成するように接触させ、第2のコーティングされた多孔性物質を生成する工程;ならびに
該充填材物質の少なくともいくらかを、該第2のコーティングされた多孔性物質から除去し、それによって、該電極を形成する工程、
を包含する、方法。
A method for forming an electrode comprising:
Contacting a porous material comprising porous carbon with a filler solution comprising a filler material such that the filler material forms a coating on the surface of the porous material and / or in the pores ; Producing a coated porous material of:
A porous material coated the first, an electrode material comprising an active electrode species and a binder material, the electrode material, the contacted to form a coating on at least a portion of the porous material Producing a second coated porous material; and removing at least some of the filler material from the second coated porous material, thereby forming the electrode;
Including the method.
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